Linux進程地址空間--vma的基本操作

在32位的系統上，線性地址空間可達到4GB，這4GB一般按照3:1的比例進行分配，也就是說用戶進程享有前3GB線性地址空間，而內核獨享最後1GB線性地址空間。由於虛擬內存的引入，每個進程都可擁有3GB的虛擬內存，並且用戶進程之間的地址空間是互不可見、互不影響的，也就是說即使兩個進程對同一個地址進行操作，也不會產生問題。在前面介紹的一些分配內存的途徑中，無論是伙伴系統中分配頁的函數，還是slab分配器中分配對象的函數，它們都會盡量快速地響應內核的分配請求，將相應的內存提交給內核使用，而內核對待用戶空間顯然不能如此。用戶空間動態申請內存時往往只是獲得一塊線性地址的使用權，而並沒有將這塊線性地址區域與實際的物理內存對應上，只有當用戶空間真正操作申請的內存時，才會觸發一次缺頁異常，這時內核才會分配實際的物理內存給用戶空間。

用戶進程的虛擬地址空間包含了若干區域，這些區域的分布方式是特定於體系結構的，不過所有的方式都包含下列成分：

可執行文件的二進制代碼，也就是程序的代碼段

存儲全局變量的數據段

用於保存局部變量和實現函數調用的棧

環境變量和命令行參數

程序使用的動態庫的代碼

用於映射文件內容的區域

由此可以看到進程的虛擬內存空間會被分成不同的若干區域，每個區域都有其相關的屬性和用途，一個合法的地址總是落在某個區域當中的，這些區域也不會重疊。在linux內核中，這樣的區域被稱之為虛擬內存區域(virtual memory areas),簡稱vma。一個vma就是一塊連續的線性地址空間的抽象，它擁有自身的權限(可讀，可寫，可執行等等) ，每一個虛擬內存區域都由一個相關的struct vm_area_struct結構來描述

1. struct vm_area_struct {  
2.     struct mm_struct * vm_mm;   /* 所屬的內存描述符 */  
3.     unsigned long vm_start;    /* vma的起始地址 */  
4.     unsigned long vm_end;       /* vma的結束地址 */  
5.   
6.     /* 該vma的在一個進程的vma鏈表中的前驅vma和後驅vma指針，鏈表中的vma都是按地址來排序的*/  
7.     struct vm_area_struct *vm_next, *vm_prev;  
8.   
9.     pgprot_t vm_page_prot;      /* vma的訪問權限 */  
10.     unsigned long vm_flags;    /* 標識集 */  
11.   
12.     struct rb_node vm_rb;      /* 紅黑樹中對應的節點 */  
13.   
14.     /* 
15.      * For areas with an address space and backing store, 
16.      * linkage into the address_space->i_mmap prio tree, or 
17.      * linkage to the list of like vmas hanging off its node, or 
18.      * linkage of vma in the address_space->i_mmap_nonlinear list. 
19.      */  
20.     /* shared聯合體用於和address space關聯 */  
21.     union {  
22.         struct {  
23.             struct list_head list;/* 用於鏈入非線性映射的鏈表 */  
24.             void *parent;   /* aligns with prio_tree_node parent */  
25.             struct vm_area_struct *head;  
26.         } vm_set;  
27.   
28.         struct raw_prio_tree_node prio_tree_node;/*線性映射則鏈入i_mmap優先樹*/  
29.     } shared;  
30.   
31.     /* 
32.      * A file's MAP_PRIVATE vma can be in both i_mmap tree and anon_vma 
33.      * list, after a COW of one of the file pages.  A MAP_SHARED vma 
34.      * can only be in the i_mmap tree.  An anonymous MAP_PRIVATE, stack 
35.      * or brk vma (with NULL file) can only be in an anon_vma list. 
36.      */  
37.     /*anno_vma_node和annon_vma用於管理源自匿名映射的共享頁*/  
38.     struct list_head anon_vma_node; /* Serialized by anon_vma->lock */  
39.     struct anon_vma *anon_vma;  /* Serialized by page_table_lock */  
40.   
41.     /* Function pointers to deal with this struct. */  
42.     /*該vma上的各種標准操作函數指針集*/  
43.     const struct vm_operations_struct *vm_ops;  
44.   
45.     /* Information about our backing store: */  
46.     unsigned long vm_pgoff;     /* 映射文件的偏移量，以PAGE_SIZE為單位 */  
47.     struct file * vm_file;          /* 映射的文件，沒有則為NULL */  
48.     void * vm_private_data;     /* was vm_pte (shared mem) */  
49.     unsigned long vm_truncate_count;/* truncate_count or restart_addr */  
50.   
51. #ifndef CONFIG_MMU   
52.     struct vm_region *vm_region;    /* NOMMU mapping region */  
53. #endif   
54. #ifdef CONFIG_NUMA   
55.     struct mempolicy *vm_policy;    /* NUMA policy for the VMA */  
56. #endif   
57. };