Linux内核设计与实现 - 第15章 进程地址空间

1. 本章目标

• 理解进程地址空间的基本概念
• 掌握Linux内核管理进程地址空间的机制
• 熟悉内存描述符mm_struct结构
• 了解内存区域的表示和管理
• 学习地址空间的操作方法

2. 进程地址空间概述

• 每个进程拥有独立的虚拟地址空间
• 32位系统通常为4GB空间（用户/内核空间划分）
• 64位系统地址空间更加庞大
• 地址空间包含：
  • 代码段(text)
  • 数据段(data)
  • BSS段
  • 堆(heap)
  • 栈(stack)
  • 内存映射区域

3. 内存描述符(mm_struct)

struct mm_struct {struct vm_area_struct *mmap;       // 内存区域链表pgd_t *pgd;                        // 页全局目录atomic_t mm_users;                 // 使用该地址空间的进程数atomic_t mm_count;                 // 主引用计数unsigned long start_code, end_code;// 代码段起止unsigned long start_data, end_data;// 数据段起止unsigned long start_brk, brk;      // 堆的起止unsigned long start_stack;         // 栈的起始地址// ... 其他成员 ...
};

4. 内存区域(vm_area_struct)

• 表示地址空间中的连续内存区间
• 通过红黑树和链表组织
• 主要属性：
  • vm_start/vm_end: 区域起止地址
  • vm_flags: 读写执行权限
  • vm_file: 关联的文件(如果有)
  • vm_ops: 操作函数集

5. 地址空间操作

• 创建/销毁地址空间：fork()/exit()
• 内存映射：mmap()
• 取消映射：munmap()
• 堆管理：brk()
• 页错误处理：缺页中断

6. 页表管理

• 多级页表转换机制
• TLB缓存加速
• 地址空间切换时的TLB刷新

7. 内核地址空间

• 内核线程的地址空间
• 内核空间的固定映射
• vmalloc区域管理

8. 实验环节

1. 通过/proc文件系统查看进程内存映射

   cat /proc/<pid>/maps
   

2. 使用pmap工具分析进程内存
3. 编写内核模块打印mm_struct信息

9. 常见问题分析

• 内存泄漏检测
• 内存碎片问题
• 地址空间布局随机化(ASLR)
• OOM(Out Of Memory)处理机制