内核内存布局

 

一、内核内存布局

64位Linux一般使用48位表示虚拟地址空间，43位表示物理地址，通过命令：cat /proc/cpuinfo

• ARM64架构处理器采用48位物理寻址机制，最大可寻找256TB的物理地址空间。对于 目前应用完全足够，不需要扩展到64位的物理寻址。虚拟地址也同样最大支持48位寻址，所以 在处理器架构设计上，把虚拟地址空间划分为两个空间，每个空间最大支持256TB，linux内核 在大多数体系结构上都把两个地址划分为：用户空间和内核空间。

• 用户空间：0x0000_0000_0000_0000至0x0000_ffff_ffff_ffff；

• 内核空间：0xffff_0000_0000_0000至0xffff_ffff_ffff_ffff；

QEMU平台，可以打印ARM64架构linux内核内存分布情况

二、堆管理

堆是进程中主要用于动态分配变量和数据的内存区域，堆的管理对应程序员不是直接可见的。因为它依赖标准库提供的各个辅助函数（其中最重要的是malloc）来分配任意长度的内存区。malloc和内核之间的经典接口是brk系统调用，负责扩展/收缩堆。

• 堆是一个连续的内存区域，在扩展时自下至上增长。其中mm_struct结构，包含堆在虚拟地 址空间中的起始和当前结束地址(start_brk和brk)。
• brk系统调用用于指定堆在虚拟地址空间中新的结束地址（如果堆将要收缩，当然可以小于当前值）。brk系统调用通过do_brk增长动态分配区(内核源码分mm/mmap.c)

三、sys_brk流程

1. 检查资源限制；

2. 将brk值对齐到页；

3. 是否想增加brk值？（这个地方要结合源码看）

   是-->do_brk()；返回新的brk的值；

   否-->do_munmap()；返回新的brk的值；

brk机制不是一个独立的内核概念，而是基于匿名映射实现，以减少内部的开销。在检查过用brk的值的新地址未超出推的限制之后，sys_brk第一个重要操作是请求的地址按页长对齐。brk()用于进程向内核申请空间，用于扩展用户堆栈空间，或者回收堆栈空间。

• malloc为小空间申请，brk()为大块空间申请。do_brk()用于增长动态分配区。do_munmap()释放动态分配区;
• do_brk()源码分析:

static unsigned long do_brk(unsigned long addr, unsigned long len)
{
 struct mm_struct *mm = current->mm;
 struct vm_area_struct *vma, *prev;
 unsigned long flags;
 struct rb_node **rb_link, *rb_parent;
 pgoff_t pgoff = addr >> PAGE_SHIFT;
 int error;

 // 首先对len这个长度进行页面对齐去判断页面对齐之后是否超出边界
 len = PAGE_ALIGN(len);
 if (!len)
  return addr;

 flags = VM_DATA_DEFAULT_FLAGS | VM_ACCOUNT | mm->def_flags;

 // 检查是否有足够内存空间来分析len大小的内存。判断虚拟地址空间是否足够
 error = get_unmapped_area(NULL, addr, len, 0, MAP_FIXED);
 if (offset_in_page(error))
  return error;

 error = mlock_future_check(mm, mm->def_flags, len);
 if (error)
  return error;

 /*
  * mm->mmap_sem is required to protect against another thread
  * changing the mappings in case we sleep.
  */
 verify_mm_writelocked(mm);

 /*
  * Clear old maps.  this also does some error checking for us
  */
  // 循环遍历用户进程红黑树中VMA，然后根据addr来查找合适的插入点
 while (find_vma_links(mm, addr, addr + len, &prev, &rb_link,
         &rb_parent)) {
  if (do_munmap(mm, addr, len))
   return -ENOMEM;
 }

 /* Check against address space limits *after* clearing old maps... */
    // 检查是否要对此虚拟区间进行扩充
 if (!may_expand_vm(mm, len >> PAGE_SHIFT))
  return -ENOMEM;

 if (mm->map_count > sysctl_max_map_count)
  return -ENOMEM;
 // 判断系统是否有足够内存
 if (security_vm_enough_memory_mm(mm, len >> PAGE_SHIFT))
  return -ENOMEM;

 /* Can we just expand an old private anonymous mapping? */
    // 判读是否可以合并，如果可以合并就合并成为一个vam区
 vma = vma_merge(mm, prev, addr, addr + len, flags,
   NULL, NULL, pgoff, NULL, NULL_VM_UFFD_CTX);
 
    // 如果能合并直接goto out
    if (vma)
  goto out;

 /*
  * create a vma struct for an anonymous mapping
  */
    
    //如果没有办法合并，只有新创建一个VMA，VMA地址空间是【addr，addr+len】
 vma = kmem_cache_zalloc(vm_area_cachep, GFP_KERNEL);
 if (!vma) {
  vm_unacct_memory(len >> PAGE_SHIFT);
  return -ENOMEM;
 }

    // 指向匿名域指针
 INIT_LIST_HEAD(&vma->anon_vma_chain);
 vma->vm_mm = mm; // 指向VMA所属于进程struct mm_struct结构
 vma->vm_start = addr;
 vma->vm_end = addr + len;
 vma->vm_pgoff = pgoff;
 vma->vm_flags = flags;
 vma->vm_page_prot = vm_get_page_prot(flags);
 vma_link(mm, vma, prev, rb_link, rb_parent);
out: // 增加进程地址空间长度
 perf_event_mmap(vma);
 mm->total_vm += len >> PAGE_SHIFT;
 if (flags & VM_LOCKED)
  mm->locked_vm += (len >> PAGE_SHIFT);
 vma->vm_flags |= VM_SOFTDIRTY;
 return addr;
}

 

- END -

 

---

审核编辑 ：李倩