完全剖析?-?Linux虛擬內(nèi)存空間管理
[導(dǎo)讀]今天，我們來介紹一下 Linux 對虛擬內(nèi)存空間管理的細(xì)節(jié)。
在 《漫畫解說內(nèi)存映射》一文中介紹過
虛擬內(nèi)存 與 物理內(nèi)存 映射的原理與過程，虛擬內(nèi)存與物理內(nèi)存進(jìn)行映射的過程被稱為 內(nèi)存映射。內(nèi)存映射是硬件（內(nèi)存管理單元）級(jí)別的功能，必須按照硬件的規(guī)范設(shè)置好內(nèi)存映射的關(guān)系，進(jìn)程才能正常運(yùn)行。
但內(nèi)存映射并不能區(qū)分內(nèi)存的用途，比如我們想知道虛擬內(nèi)存區(qū)間 0 ~ 2MB 是用作存儲(chǔ)數(shù)據(jù)還是存儲(chǔ)指令，這就很難從內(nèi)存映射中獲取到相關(guān)信息。所以，Linux 根據(jù)功能上的差異，來對虛擬內(nèi)存空間進(jìn)行管理。
今天，我們來介紹一下 Linux 對虛擬內(nèi)存空間管理的細(xì)節(jié)。
段
之前我們說過，在 32 位的操作系統(tǒng)中，每個(gè)進(jìn)程都擁有 4GB 的虛擬內(nèi)存空間。Linux 根據(jù)功能上的差異，把整個(gè)虛擬內(nèi)存空間劃分為多個(gè)不同區(qū)間，稱為 段。
我們先來看看 Linux 進(jìn)程虛擬內(nèi)存空間的布局圖，如圖 1 所示：
上圖展示了 Linux 進(jìn)程的虛擬內(nèi)存空間布局情況，我們只關(guān)注 用戶空間 的布局。
從上圖可以看出，進(jìn)程的用戶空間大小為 3GB。Linux 按照功能上的差異，把一個(gè)進(jìn)程的用戶空間劃分為多個(gè)段，下面介紹一下各個(gè)段的作用：
-
代碼段：用于存放程序中可執(zhí)行代碼的段。
-
數(shù)據(jù)段：用于存放已經(jīng)初始化的全局變量或靜態(tài)變量的段。如在 C 語言中，使用語句 int global = 10; 定義的全局變量。
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未初始化數(shù)據(jù)段：用于存放未初始化的全局變量或靜態(tài)變量的段。如在 C 語言中，使用語句 int global; 定義的全局變量。
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堆：用于存放使用 malloc 函數(shù)申請的內(nèi)存。
-
mmap區(qū)：用于存放使用 mmap 函數(shù)映射的內(nèi)存區(qū)。
-
棧：用于存放函數(shù)局部變量和函數(shù)參數(shù)。
虛擬內(nèi)存區(qū)
從上面的介紹可知，Linux 按照功能上的差異，把虛擬內(nèi)存空間劃分為多個(gè) 段。那么在內(nèi)核中，是通過什么結(jié)構(gòu)來管理這些段的呢？
答案就是：vm_area_struct。
內(nèi)核通過 vm_area_struct 結(jié)構(gòu)（虛擬內(nèi)存區(qū)）來管理各個(gè) 段，其定義如下：
1struct vm_area_struct {
2 struct mm_struct *vm_mm; /* The address space we belong to. */
3 unsigned long vm_start; /* Our start address within vm_mm. */
4 unsigned long vm_end; /* The first byte after our end address within vm_mm. */
5
6 /* linked list of VM areas per task, sorted by address */
7 struct vm_area_struct *vm_next;
8
9 pgprot_t vm_page_prot; /* Access permissions of this VMA. */
10 unsigned long vm_flags; /* Flags, see mm.h. */
11 struct rb_node vm_rb;
12 ...
13 /* Function pointers to deal with this struct. */
14 const struct vm_operations_struct *vm_ops;
15 ...
16};
下面介紹一下各個(gè)字段的作用：
-
vm_mm：指向進(jìn)程的內(nèi)存管理對象，每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)類型為 mm_struct 的內(nèi)存管理對象，用于管理進(jìn)程的虛擬內(nèi)存空間和內(nèi)存映射等。
-
vm_start：虛擬內(nèi)存區(qū)的起始虛擬內(nèi)存地址。
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vm_end：虛擬內(nèi)存區(qū)的結(jié)束虛擬內(nèi)存地址。
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vm_next：Linux 會(huì)通過鏈表把進(jìn)程的所有虛擬內(nèi)存區(qū)連接起來，這個(gè)字段用于指向下一個(gè)虛擬內(nèi)存區(qū)。
-
vm_page_prot：主要用于保存當(dāng)前虛擬內(nèi)存區(qū)所映射的物理內(nèi)存頁的讀寫權(quán)限。
-
vm_flags：標(biāo)識(shí)當(dāng)前虛擬內(nèi)存區(qū)的功能特性。
-
vm_rb：某些場景中需要通過虛擬內(nèi)存地址查找對應(yīng)的虛擬內(nèi)存區(qū)，為了加速查找過程，內(nèi)核以虛擬內(nèi)存地址作為key，把進(jìn)程所有的虛擬內(nèi)存區(qū)保存到一棵紅黑樹中，而這個(gè)字段就是紅黑樹的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。
-
vm_ops：每個(gè)虛擬內(nèi)存區(qū)都可以自定義一套操作接口，通過操作接口，能夠讓虛擬內(nèi)存區(qū)實(shí)現(xiàn)一些特定的功能，比如：把虛擬內(nèi)存區(qū)映射到文件。而 vm_ops 字段就是虛擬內(nèi)存區(qū)的操作接口集，一般在創(chuàng)建虛擬內(nèi)存區(qū)時(shí)指定。
我們通過圖 2 來展示內(nèi)核是怎么通過 vm_area_struct 結(jié)構(gòu)來管理進(jìn)程中的所有 段：
從上圖可以看出，內(nèi)核通過一個(gè)鏈表和一棵紅黑樹來管理進(jìn)程中所有的 段。mm_struct 結(jié)構(gòu)的 mmap 字段就是鏈表的頭節(jié)點(diǎn)，而 mm_rb 字段就是紅黑樹的根節(jié)點(diǎn)。
加載程序鏡像
前面我們介紹了 Linux 會(huì)把虛擬內(nèi)存地址劃分為多個(gè) 段，并且使用 vm_area_struct 結(jié)構(gòu)來管理這些段。那么，這些虛擬內(nèi)存區(qū)是怎么建立起來的呢？
在介紹進(jìn)程虛擬內(nèi)存區(qū)建立的過程前，我們先來簡單介紹一下 ELF文件格式。
1. ELF文件
ELF 全稱 Executable and Linkable Format，即可執(zhí)行可鏈接文件格式。在 Linux 系統(tǒng)中，就是使用這種文件格式來存儲(chǔ)一個(gè)可執(zhí)行的應(yīng)用程序。讓我們來看一下 ELF 文件格式由哪些結(jié)構(gòu)組成：
一般一個(gè) ELF 文件由以下三部分組成：
-
ELF 頭（ELF header）：描述應(yīng)用程序的類型、CPU架構(gòu)、入口地址、程序頭表偏移和節(jié)頭表偏移等等；
-
程序頭表（Program header table）：列舉了所有有效的段（segments）和他們的屬性，程序頭表需要加載器將文件中的段加載到虛擬內(nèi)存段中；
-
節(jié)頭表（Section header table）：包含對節(jié)（sections）的描述。
ELF 文件的結(jié)構(gòu)大概如圖3所示：
當(dāng)內(nèi)核加載一個(gè)應(yīng)用程序時(shí)，就是通過讀取 ELF 文件的信息，然后把文件中所有的段加載到虛擬內(nèi)存的段中。ELF 文件通過 程序頭表 來描述應(yīng)用程序中所有的段，表中的每一個(gè)項(xiàng)都描述一個(gè)段的信息。我們先來看看 程序頭表 項(xiàng)的結(jié)構(gòu)定義：
1typedef struct elf64_phdr {
2 Elf64_Word p_type; // 段的類型
3 Elf64_Word p_flags; // 可讀寫標(biāo)志
4 Elf64_Off p_offset; // 段在ELF文件中的偏移量
5 Elf64_Addr p_vaddr; // 段的虛擬內(nèi)存地址
6 Elf64_Addr p_paddr; // 段的物理內(nèi)存地址
7 Elf64_Xword p_filesz; // 段占用文件的大小
8 Elf64_Xword p_memsz; // 段占用內(nèi)存的大小
9 Elf64_Xword p_align; // 內(nèi)存對齊
10} Elf64_Phdr;
所以，程序加載器可以通過 ELF 頭中獲取到程序頭表的偏移量，然后通過程序頭表的偏移量讀取到程序頭表的數(shù)據(jù)，再通過程序頭表來獲取到所有段的信息。
我們可以通過 readelf -S file 命令來查看 ELF 文件的段（節(jié)）信息，如下圖所示：
上面列出了 代碼段、數(shù)據(jù)段、未初始化數(shù)據(jù)段 和 注釋段 的信息。
2. 加載過程
要加載一個(gè)程序，需要調(diào)用 execve 系統(tǒng)調(diào)用來完成。我們來看看 execve 系統(tǒng)調(diào)用的調(diào)用棧：
1sys_execve
2└→ do_execve
3 └→ do_execveat_common
4 └→ __do_execve_file
5 └→ exec_binprm
6 └→ search_binary_handler
7 └→ load_elf_binary
從上面的調(diào)用者可以看出，execve 系統(tǒng)調(diào)用最終會(huì)調(diào)用 load_elf_binary 函數(shù)來加載程序的 ELF 文件。
由于 load_elf_binary 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，所以我們分段來解說：
（1）讀取并檢查ELF頭
1static int load_elf_binary(struct linux_binprm *bprm, struct pt_regs *regs)
2{
3 ...
4 struct {
5 struct elfhdr elf_ex;
6 struct elfhdr interp_elf_ex;
7 } *loc;
8
9 loc = kmalloc(sizeof(*loc), GFP_KERNEL);
10 if (!loc) {
11 retval = -ENOMEM;
12 goto out_ret;
13 }
14
15 // 1. 獲取ELF頭
16 loc->elf_ex = *((struct elfhdr *)bprm->buf);
17
18 retval = -ENOEXEC;
19 // 2. 檢查ELF簽名是否正確
20 if (memcmp(loc->elf_ex.e_ident, ELFMAG, SELFMAG) != 0)
21 goto out;
22
23 // 3. 是否是可執(zhí)行文件或者動(dòng)態(tài)庫
24 if (loc->elf_ex.e_type != ET_EXEC 
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