知識星球來自：羅道文的私房菜
連結：http://luodw.cc/2016/02/17/linux-memory/
今天這篇文章主要是我之前看Linux核心相關知識和部落格Gustavo Duarte中。我主要是看了這篇部落格，並且結合之前的知識，對記憶體管理的的理解又上升了一個檔次。所以想透過這篇文章總結下。
我們先來看下Linux記憶體佈局，此圖比我之前寫的那篇文章寫的佈局更詳細
在linux中，每一個行程都被抽象為task_struct結構體，稱為行程描述符，儲存著行程
各方面的資訊；例如開啟的檔案，訊號以及記憶體等等；然後task_struct的一個屬性mm_struct管理著行程的所有虛擬記憶體，稱為記憶體描述符。在mm_struct結構體中，儲存著行程各個記憶體段的開始以及結尾，如上圖所示；這個行程使用的物理記憶體，即常駐記憶體RSS頁數，這個記憶體使用的虛擬地址空間VSZ頁數，還有這個行程虛擬記憶體區域集合和頁表。
從上面這個圖可以看出，行程是有程式碼段Text segment,資料段（已初始化的全域性，靜態變數），BSS段（未初始化的全域性，靜態變數），堆，記憶體對映區以及棧；
每一塊虛擬記憶體區(VMA)都是由一塊連續的虛擬地址組成，這些地址從不改寫。一個vm_area_struct實體描述了一塊記憶體區域，包括這塊記憶體區域的開始以及結尾地址；flags標誌決定了這塊記憶體的訪問許可權和行為；vm_file決定這塊記憶體是由哪個檔案對映的，如果沒有檔案對映，則這塊記憶體為匿名的(anonymous)。上述圖中提到的每個記憶體段，都對應於一個vm_area_struct結構。如下圖所示
上圖即為/bin/gonzo行程的記憶體佈局。程式的二進位制檔案對映到程式碼段和資料段，程式碼段為只讀只執行，不可更改；全域性以及靜態的未初始化的變數對映到BSS段，為匿名對映，堆和棧也是匿名對映，因為沒有相應的檔案對映；記憶體對映區可以對映共享庫，對映檔案以及匿名對映，所以這塊記憶體段可以是檔案對映也可以是匿名對映。而且不同的檔案，對映到不同的vm_area_struct區。
這些vm_area_struct集合儲存在mm_struct中的一個單向連結串列和紅黑樹中；當輸出/proc/pid/maps檔案時，只需要遍歷這個連結串列即可。紅黑樹主要是為了快速定位到某一個記憶體塊,紅黑樹的根儲存在mm_rb域。
之前介紹過，線性地址需要透過頁表才能轉換為物理地址。每個行程的記憶體描述符也儲存了這個行程頁表指標pgd，每一塊虛擬記憶體頁都和頁表的某一項對應。
虛擬記憶體是不儲存任何資料的，它只是將地址空間對映到物理記憶體。物理記憶體有核心夥伴系統分配，如果一塊物理記憶體沒有被對映，就可以被夥伴系統分配給虛擬記憶體。剛分配的物理記憶體葉框可能是匿名的，儲存行程資料，也可能是也快取，儲存檔案或塊裝置的資料。一塊虛擬記憶體vm_area_struct塊是由連續的虛擬記憶體頁組成的，而這些虛擬記憶體塊對映的物理記憶體卻不一定連續，如下圖所示：
如上圖所示，有三個頁對映到物理記憶體，還有兩個頁沒有對映，所以常駐記憶體RSS為12kb，而虛擬記憶體大小為20kb。對於有對映到物理記憶體的三個頁的頁表項PTE的Present標誌設為1，而兩個沒有對映物理記憶體的虛擬記憶體頁表項的Present位清除。所以這時訪問那兩塊記憶體，則會導致異常缺頁。
vma就像應用程式和內核的一個契約。當應用程式申請記憶體或者檔案對映時，核心先響應這個請求，分配或更新虛擬記憶體；但是這些虛擬記憶體並沒有對映到真實的物理記憶體。而是等到記憶體訪問產生一個記憶體異常缺頁時才真正對映物理記憶體。即當訪問沒有對映的虛擬記憶體時，由於頁表項的Present位沒有被設定，所以此時會產生一個缺頁異常。vma記錄和頁表項兩個在解決記憶體缺頁，釋放記憶體以及記憶體swap out都起著重要的作用。下麵圖展示了上述情況：
1、一開始堆中只有8kb的記憶體，而且都已經對映到物理記憶體；
2、當呼叫brk()函式擴充套件堆時，新的頁是沒有對映到物理記憶體的，
3、當處理器需要訪問一個地址，而且這個地址在上述剛分配的虛擬記憶體中，這時產生一個缺頁異常；
4、這時行程向夥伴系統申請一頁的物理記憶體，對映到那塊虛擬記憶體上，並新增頁表項，設定Present位.
自此，這個記憶體管理暫時就說到這。總結下：
1、Linux行程的記憶體佈局的每個段都是有一個vm_area_struct,而這個實體是由連續的虛擬記憶體地址組成；
2、當請求記憶體時，先是擴充套件vm_area_struct或者新分配一個vm_area_struct，但是並不對映物理記憶體，只有等到訪問這塊記憶體時，產生缺頁異常，核心才分配物理記憶體。
●編號517，輸入編號直達本文
●輸入m獲取文章目錄
大資料與人工智慧
更多推薦《18個技術類公眾微信》
涵蓋：程式人生、演演算法與資料結構、駭客技術與網路安全、大資料技術、前端開發、Java、Python、Web開發、安卓開發、iOS開發、C/C++、.NET、Linux、資料庫、運維等。
