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【Note】《深入理解Linux内核》Chapter 9 ：深入理解 Linux 内核中的进程地址空间管理机制

java 2025/7/4 23:16:49

《深入理解Linux内核》Chapter 9 ：深入理解 Linux 内核中的进程地址空间管理机制

摘要：虚拟内存、内存映射、VMA、mm_struct、进程隔离、brk、mmap、栈、堆、页表、多线程共享、地址空间布局

一、地址空间的重要性

地址空间（Address Space）是操作系统为每个进程构建的内存抽象。Linux 使用虚拟内存技术，使得：

每个进程拥有独立的虚拟地址空间；
用户空间与内核空间相互隔离；
支持按需分页、写时复制、共享内存等机制；
实现系统安全性与进程稳定性。

二、虚拟地址空间结构概览

在 Linux 中，每个进程拥有完整的虚拟地址空间，通常结构如下（以 32 位系统为例）：

0x00000000|| 用户空间|| text段（代码段）| data段（已初始化静态数据）| bss段（未初始化全局数据）| heap（堆）—— 从低地址向上增长（brk）| mmap区域—— 映射文件/共享内存/动态库| 栈（stack）—— 从高地址向下增长|
0xC0000000|| 内核空间（共享）|
0xFFFFFFFF

64 位架构使用更大的地址空间，并对地址段进行了更灵活的划分。

三、核心数据结构：mm_struct 与 VMA

3.1 mm_struct

每个进程地址空间由一个 mm_struct 表示，结构定义如下：

struct mm_struct {pgd_t *pgd;                          // 页目录基地址struct vm_area_struct *mmap;        // VMA 链表struct rb_root mm_rb;               // VMA 红黑树索引unsigned long start_code, end_code;unsigned long start_brk, brk;unsigned long start_stack;...
};

其中 pgd 指向页目录表，mmap/mm_rb 负责管理所有虚拟内存区域。

3.2 vm_area_struct（VMA）

每个内存区域由一个 vm_area_struct 表示：

struct vm_area_struct {unsigned long vm_start;unsigned long vm_end;unsigned long vm_flags;struct file *vm_file;struct vm_area_struct *vm_next;struct mm_struct *vm_mm;...
};

vm_start/vm_end：区域范围；
vm_flags：属性（只读/可写/可执行等）；
vm_file：若该区域为文件映射，则指向文件结构；
所有 VMA 通过链表与红黑树组织，便于快速查找。

四、地址空间的组成与分配方式

4.1 代码段（.text）

存储可执行指令；
映射自 ELF 可执行文件；
通常为只读 + 可执行（VM_READ | VM_EXEC）；
VMA 来源：load_elf_binary() 中的 do_mmap()；

4.2 数据段（.data / .bss）

包含初始化与未初始化的全局变量；
映射于执行文件的特定段，或通过 brk() 分配；
BSS 初始化为 0，占用匿名内存。

4.3 堆区（heap）

通过 brk() 或 sbrk() 系统调用增长；
默认由 glibc 封装为 malloc() 等接口；
从低地址向高地址扩展；
受 start_brk 与 brk 限定。

unsigned long brk = current->mm->brk;

4.4 栈区（stack）

每个线程分配一个私有用户栈；
从高地址向低地址增长；
由 start_stack 标示栈底地址；
受限于 ulimit -s 设置；
页表保护栈底防止溢出。

4.5 mmap 区域

映射文件、动态链接库、匿名内存等；
使用 mmap() 系统调用映射；
起始地址通常从某个随机高地址向下分配；
是现代内存分配（如 malloc()）的主力方式。

五、地址空间创建流程

5.1 execve()：创建新地址空间

当调用 execve() 执行新程序时：

内核释放当前 mm_struct；
调用 load_elf_binary()；
分配新 mm_struct；
使用 do_mmap() 映射 text/data/bss 段；
初始化堆、栈区域；
设置页表，切换进程上下文。

5.2 fork()：共享地址空间

fork() 创建子进程时，会复制父进程地址空间；
页表不复制，而是使用写时复制（COW）；
子进程拥有新 mm_struct 与 VMA 链表；
页框共享，设置只读位标志；
当子进程尝试写时，触发缺页异常并复制页。

六、多线程共享与 mm_struct

6.1 多线程如何共享地址空间？

所有线程共享同一个 mm_struct；
CLONE_VM 标志确保地址空间共享；
栈空间由每个线程单独分配。

6.2 线程栈分配

用户空间栈由 glibc 分配；
内核通过 do_fork() 设置新线程栈地址；
默认栈大小可通过 pthread_attr 设置。

七、内存映射（mmap）机制详解

7.1 mmap 系统调用

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset);

映射文件或匿名页；
创建新的 VMA；
mmap_region() 完成实际映射，更新页表；

7.2 使用场景

动态库加载；
映射大型文件；
创建共享内存；
malloc() 大块分配。

7.3 匿名映射（anonymous mmap）

mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_ANONYMOUS | MAP_PRIVATE, -1, 0);

分配未关联文件的内存；
相当于手动实现 malloc；
常用于线程栈、堆、大数据结构。

八、地址空间保护与随机化

8.1 访问控制标志（vm_flags）

标志	含义
VM_READ	可读
VM_WRITE	可写
VM_EXEC	可执行
VM_MAYSHARE	可共享映射
VM_GROWSDOWN	栈可向下增长

8.2 ASLR（地址空间布局随机化）

提高安全性，防止缓冲区溢出攻击；
text、heap、stack、mmap 等区域随机偏移；
内核通过 /proc/sys/kernel/randomize_va_space 控制；

九、页表与地址空间的连接

9.1 每个进程的页表基地址

current->mm->pgd

指向该进程页目录起始地址；
与 vm_area_struct 共同组织地址空间；
每次上下文切换时更新 CR3（x86）寄存器；

9.2 页表更新与映射

mmap() 映射区域仅创建 VMA；
首次访问触发缺页异常，由 handle_mm_fault() 创建页表项；
do_page_fault() 处理实际映射并分配页框。

十、地址空间的释放与销毁

10.1 进程退出时

通过 exit_mm() 释放 mm_struct；
清除页表项，释放页框；
销毁所有 VMA 结构；
若有共享页，减少引用计数。

10.2 映射销毁

munmap(addr, length);

调用 do_munmap() 删除对应 VMA；
卸载页表项；
若映射文件，写回脏页。

十一、调试工具与接口

接口/工具	用途
`/proc/<pid>/maps`	显示进程地址空间各段信息
`/proc/<pid>/smaps`	内存占用细节（RSS、PSS）
`/proc/<pid>/pagemap`	虚拟地址与物理地址映射
`gdb` + `info proc mappings`	调试进程内存映射
`strace ./a.out`	捕捉 mmap/brk/munmap 系统调用

十二、源码文件与核心函数

源码路径	说明
`mm/mmap.c`	实现 mmap、munmap、brk 逻辑
`mm/memory.c`	缺页异常与页面映射
`fs/exec.c`	加载 ELF，创建初始地址空间
`kernel/fork.c`	fork、clone、线程创建
`include/linux/mm_types.h`	`mm_struct`、`vm_area_struct` 定义

十三、实验与实践建议

写程序使用 mmap() 分配内存，并查看 /proc/<pid>/maps；
写一个 fork() 后修改堆内容的程序，观察 COW 效果；
使用 strace 观察程序使用 brk() 和 mmap()；
利用 gdb 调试栈地址，验证其向下增长；
多线程程序中手动设定每个线程栈地址，研究其映射变化；
阅读 ELF 执行文件头部结构，理解各段加载关系。

十四、总结对比表

区域	分配方式	分配函数	成长方向	描述
text段	ELF 映射	load_elf_binary	固定	可执行指令，只读可执行
data段	ELF 映射	load_elf_binary	固定	已初始化全局变量
bss段	brk/mmap	brk	固定	未初始化全局变量
heap	brk/mmap	malloc/brk	向上	动态分配内存区
stack	线程创建时设定	clone/pthread_create	向下	每线程独立栈
mmap区域	映射文件/匿名内存	mmap	动态	灵活共享/文件映射