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进程的虚拟空间

第七根弦 2014 年 8 月 7 日 UC 发表评论 (0)

Linux内核用一个task_struct结构描述一个进程，且用current宏表示当前进程的task_struct。
task_struct结构中有一个mm字段，它所指向的便是与该进程虚拟空间（也叫用户空间）所对应的mm_struct结构体。内核正是通过mm_struct结构描述进程的用户空间的。

mm_struct的定义如下：在http://lxr.linux.no/#linux-bk+v2.6.11.5/include/linux/sched.h#L207

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207  struct mm_struct {
208        struct vm_area_struct * mmap;           /* vm_area_struct链表 */
209        struct rb_root mm_rb;               /*指向红黑树*/
210        struct vm_area_struct * mmap_cache;     /* 缓存，指向最近找到的虚拟区间*/
211        unsigned long (*get_unmapped_area) (struct file *filp,
212                                unsigned long addr, unsigned long len,
213                                unsigned long pgoff, unsigned long flags);
214        void (*unmap_area) (struct vm_area_struct *area);
215        unsigned long mmap_base;                /* base of mmap area */
216        unsigned long free_area_cache;          /* first hole */
217        pgd_t * pgd;            /*指向进程的页目录*/
218        atomic_t mm_users;                      /* 用户空间用户数 */
219        atomic_t mm_count;                      /* "struct mm_struct" 引用数 */
220        int map_count;                          /* number of VMAs */
......
......

mm_struct 结构是对整个用户空间的描述。一个进程的虚拟空间中有多个虚拟区间（用 vm_area_struct 描述），对这些虚拟区间的组织方式有两种：当虚拟区间较少时采用单链表（由 mmap 指针指向这个链表），当虚拟区间多时采用“红黑树（red_black tree）”结构（由 mm_rb 指向这颗树）。

关于指针 pgd ：pgd指向该进程的页目录，每个进程都有自己的页目录。与内核页目录不同，这个页目录进行用户空间 到 物理空间的映射。当调度程序调度一个程序运行时，就将这个地址转成物理地址，并写入CR3寄存器。

关于mm_users和mm_count：简单的说，mm_users用于记录mm_struct结构被多少轻进程（也就是线程）使 用，mm_count记录mm_struct被多少内核线程临时借用(内核线程没有用户空间)。当mm_users为0时，即mm_struct没有被任 何线程使用时，释放 vm_area_struct结构和页表，但不释放mm_struct本身。当mm_count为0时才释放mm_struct。

进程的虚拟空间有多个虚拟区间，每个虚拟区间可能来源不同，有的可能来自可执行文件的执行代码或数据，也可能来自共享库。所以对每个虚拟空间用 vm_area_struct 结构来描述。当执行一个程序时，需将可执行文件映射 到 进程的虚拟地址空间，并产生一组 vm_area_struct 结构来描述。每个 vm_area_struct 结构代表可执行映像的一部分，可能是可执行代码，也可能是数据。

注意：执行一个程序时，可执行文件只是映射到虚拟空间，随着程序的运行，被引用的程序部分会由操作系统装入到物理内存，并同时更新进程的页表。

vm_area_struct定义如下：在http://lxr.linux.no/#linux-bk+v2.6.11.5/include/linux/mm.h#L61

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  61 struct vm_area_struct {
  62        struct mm_struct * vm_mm;       /* The address space we belong to. */
  63        unsigned long vm_start;         /* Our start address within vm_mm. */
  64        unsigned long vm_end;           /* The first byte after our end address
  65                                           within vm_mm. */
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  67        /* linked list of VM areas per task, sorted by address */
  68        struct vm_area_struct *vm_next;
......
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进程用户空间数据结构示意图：图片摘自《深入分析Linux 内核源代码》
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我的linux内核游记的下一站是：《fork的那些事》

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