接下来，开始整理Linxu内存、进程相关的内容了（这也是绝大部分操作系统该处理的事情，即内存和任务），本节讲述Linux内存管理MM(Memory Management)的知识，参考链接：https://www.zhihu.com/people/crazyastone/posts

一、内存管理

0 背景知识

MMU（Memory Management Unit）内存管理单元，是一种负责处理CPU内存访问请求的计算机硬件，它的功能包括虚拟地址到物理地址的转换，内存保护，中央处理器高速缓存的控制；
TLB（Translation Lookaside Buffer）：MMU的工作时查询页表的过程。如果把页表放在内存中查询的话开销太大，为了提高查找效率，专门用一小片访问更快的区域存放地址映射关系
MMU每次工作时都会遍历表里的关系，找到对应的映射，该过程叫table walk；
Cache：CPU与内存之间的缓存机制，用于提高访问速率，ARM-v8架构中Cache实际是L2 Cache；
CPU运行若干用户空间的进程和内核线程，为了加快性能，CPU中往往设计TLB和Cache这样的HW block。Cache是为了更快访问内存中的数据和指令，TLB是为了加快地址转换，将那些转换最频繁地址保存，无需从页表转换而是直接从高速缓存中获取地址数据。

1 虚拟内存

虚拟内存是内存管理的一种技术，使得应用程序认为它拥有一段连续的内存；操作系统为每个进程分配一套独立的虚拟地址，进程不直接访问物理地址（防止一些破坏性操作，保护操作系统），每个进程拥有4G的虚拟内存，用户程序可使用比实际物理内存更大的空间。
用户空间和内核空间使用的地址都是虚拟地址，当进程访问内存时，会由内核的【请求分页机制】和【缺页异常】调入物理内存页。
把虚拟地址转换成物理地址，需要MMU对虚拟地址进行上图所示的分段和分页（段页式）地址转换。

内存地址映射
MMU负责将虚拟地址转换为物理地址，对虚拟地址/逻辑地址进行分段，分页（段页式）地址转换。
逻辑地址—（分段）—线性地址—（分页）—物理地址
线性地址=段基址+逻辑地址，Linux中，省去了段映射（对x86段页式机制没买账）保留了页表机制，段基址为0，如此一来逻辑地址就是线性地址。

Linux的分页机制，通常采用三级页表：
全局页目录项PGD，Page Global Directory；中间页目录项PMD，Page Middle Directory；页表项PTE，Page Table Entry；
从CR3寄存器中读取页目录基址，结合线性地址的第一部分，获取全局页目录项；进一步结合线性地址第二部分，获取中间页目录项；进一步结合线性地址第三部分，获取页表项（也即物理页基址）；最后结合线性地址的物理页内偏移量，得到最终实际物理地址。

Linux 操作系统，将虚拟内存划分为内核空间和用户空间。

2 用户空间和内核空间

用户空间：用户进程访问的空间，每个进程都有自己独立的用户空间，虚拟地址范围0x0000 0000-0xBFFF FFFF，总容量3G，用户进程只能访问用户控件的虚拟地址，只有通过系统调用，外设中断或异常才能访问内核空间；
分为以下区域：
text：存放编译好的二进制可执行代码；
data：存放已初始化的数据，包括静态变量，全局变量等；
bss：存放未初始化的数据，包括未初始化的静态变量；
heap堆：malloc分配的下偶爱内存在堆里（用户通过间接调用brk系统调用申请堆）；
mmap内存映射区：用于匿名映射中的swap区映射；文件映射；动态链接库。malloc分配的大块内存在mmap里；
stack栈：函数调用链以及函数运行期间产生的局部变量和调用参数，默认大小为8MB。
内核管理这些区域方法是，将这些内存区域抽象成vm_area_struct的内存管理对象，该结构体是描述进程地址空间的基本管理单元，一个进程需要多个vm_area_struct来描述其用户空间虚拟地址，并用【链表】和【红黑树】来组织多个vm_area_struct。
链表用于遍历全部节点用，红黑树适用于在地址空间中定位特定内存区域，内核为了各种操作都有高性能，所以同时使用这两种数据结构。

内核空间：LInux内核地址空间虚拟地址范围：0xC000 0000-0xFFFF FFFF，总容量1GB，包括内核镜像、物理页面表、驱动程序等；
分为以下区域：
直接映射区：从内核空间起始地址（0xC000 0000）地址开始，最大896MB内核空间直接映射，即该部分线性地址和分配的物理地址都是连续的。
高端内存线性地址空间：
内核空间线性地址896MB-1GB之间128MB的地址区间是高端内存线性空间，因为内核空间总大小才1GB，如果全部直接映射，那么最多只能寻址1GB大小的物理内存。所以内核后128MB地址区间进一步划分映射区，以达到对整个物理地址范围的寻址。
（1）动态内存映射区：vmalloc Region，该区域由内核函数vmalloc来分配，特点是：线性空间连续，但对应的物理地址空间不一定连续。vmalloc分配的线性地址所对应的物理内存可能处于低端内存，也可能处于高端内存。
每一块vmalloc分配的内核虚拟内存都对应一个vm_struct结构体，不同内核空间虚拟地址之间有4k大小的防越界空闲区间隔区。
（2）永久内存映射区：Persistent Kernel mapping Region，该区域访问高端内存，用过alloc_page分配高端内存页或kmap分配到的高端内存映射到该区域。
（3）固定映射区：Fixed Kernel Mapping Region，该区域和4GB顶端只有4k的隔离带，每个地址项都有特定的用途，如ACPI_BASE等。

3 Linux内存分配方式

物理内存管理
Linux系统中把物理内存划分为4k大小的内存页Page（也称作页框Page Frame），物理内存的分配和回收都是基于内存页进行。
假如系统请求小块内存，可预先分配一页给它，避免反复申请和释放小块内存带来的频繁系统开销；假如系统请求大块内存，则可用多页拼凑，而不必要求大块连续内存。

面临问题
（1）外部碎片。频繁的分配和回收物理页，导致大量小块内存夹杂在已分配页面中间。
（2）内部碎片。当实际需要很小内存时，也会分配至少4k大小页面，这样会导致页框内部有很多未使用部分。

页面管理算法
（1）伙伴系统算法（Buddy System）
所有的空闲页框分组为11个页块链表，第一个链表有n1个页块，页块大小为1个页；第二个链表有n2个页块，页块大小为2个页；第三个链表有n3个页块，页块大小为4个页；…第十一个链表有n个页块，页块大小为1024个页。（因为任何正整数都可以由2^n的和组成，所以任何大小内存的系统，都可以找到合适的内存块分配方法，减少了外部碎片的产生。）
分配实例
申请4个页框，但是长度为4的连续页框链表中没有空闲页框块，Buddy System会从连续8个页框块的链表中取出一个，将其拆分为2个连续4页框块，其中一个返回给用户，另一个放入连续4页框的空闲链表中。
而释放时候，会检查这几个页框前后页框是否空闲，能否组成下一级长度的块。
（2）slab分配器
一般来讲，内核对象的生命周期是：分配内存-初始化-释放内存，内核中有大量task_struct，file_struct等小对象，远用不到1页内存大小空间；slab分配器，【通过将内存按使用对象不同再进一步划分成不同大小空间】，形成每个数据对象（结构体）slab存储池，每当申请此类对象时，就会从slab列表中分配一个出去；当释放时，重新保存在该列表中，而不是返回给伙伴系统，从而避免内部碎片；同时也提高了内存分配性能。
优点：
slab内存管理基于内核小对象，不用每次分配1内存，充分利用内存空间，避免内部碎片；
slab对内核频繁创建和释放小对象做缓存，重复利用一些相同的对象，减少分配次数。

虚拟内存分配
Linux通过虚拟内存管理，假定每个程序都有4G的虚拟内存寻址空间，虚拟内存（包括用户空间和内核空间）一般没有映射到物理内存，只有当访问申请虚拟内存时，才会发生缺页异常，通过上述伙伴系统和slab分配器申请物理内存。
（1）用户空间内存分配
malloc用于申请用户空间虚拟内存，当申请小于128KB内存时，malloc使用sbrk或brk分配内存；当申请大于128KB内存时，使用mmap函数申请内存；
存在问题：brk/sbrk/mmap属于系统调用，每次申请内存会产生系统调用开销，影响性能，且堆是从低地址往高地址生长，低地址不释放的话，高地址内存不能回收，容易产生碎片。
解决办法：malloc采用内存池的实现方式，先申请一大块内存，再分成不同大小的内存，当用户申请时，直接从内存池中选择一块相近的内存块分配出去。

（2）内核空间内存分配
kmalloc和vmalloc分别用于分配不同映射区的虚拟内存。
kmalloc分配的虚拟地址范围在内核空间的【直接内存映射区】，kfree用于释放内存。kmalloc是基于slab分配器的，一般情况下驱动程序中调用该函数，其按字节单位分配虚拟内存，一般用于分配小块内存。
vmalloc分配的虚拟地址区间，位于vmalloc_start和vmalloc_end之间的【动态内存映射区】，一般用于分配大块内存，vfree用于释放，一般用在活动的交换区分配数据结构，为某些I/O驱动程序分配缓冲区，或为内核模块分配空间。

二、进程地址空间

内存是最基本的资源，除了一般数据定义时占据，在运行一个进程/任务时，也是必不可少的资源，接着介绍Linux系统中进程地址空间。
地址空间
进程地址空间由进程可寻址的虚拟内存组成，通过内核，进程可以给自己的地址空间动态地添加或减少内存区域。进程只能访问有效内存区域内的内存地址。每个区域也具有相关权限如对相关进程可读、可写、可执行属性。

内存区域包含各种内存对象，如：
代码段，数据段，bss段，堆，栈，内存映射区。

内存描述符
内核使用内存描述符结构体表示进程的地址空间，该结构体包含了和进程地址空间有关的全部信息，内存描述符由mm_struct结构体表示：

struct mm_struct {
struct vm_area_struct    *mmap;                           /* 内存区域链表 */
struct rb_root            mm_rb;                          /* VMA形成的红黑树 */
struct vm_area_struct    *mmap_cache;                     /* 最近使用的内存区域 */
unsigned long             free_area_cache;                /* 地址空间第一个空洞 */
pgd_t                    *pgd;                            /* 页全局目录 */
atomic_t                  mm_users;                       /* 使用地址空间的用户数 */
atomic_t                  mm_count;                       /* 主使用计数器 */
int                       map_count;                      /* 内存区域个数 */
struct rw_semaphore       mmap_sem;                       /* 内存区域信号量 */
spinlock_t                page_table_lock;                /* 页表锁 */
struct list_head          mmlist;                         /* 所有mm_struct形成的链表 */
unsigned long             start_code;                     /* 代码段的开始地址 */
unsigned long             end_code;                       /* 代码段的结束地址 */
unsigned long             start_data;                     /* 数据段首地址 */
unsigned long             end_data;                       /* 数据段尾地址 */
unsigned long             start_brk;                      /* 堆首地址 */
unsigned long             brk;                            /* 堆尾地址 */
unsigned long             start_stack;                    /* 栈首地址 */
unsigned long             arg_start;                      /* 命令行参数首地址 */
unsigned long             arg_end;                        /* 命令行参数尾地址 */
unsigned long             env_start;                      /* 环境变量首地址 */
unsigned long             env_end;                        /* 环境变量尾地址 */
unsigned long             rss;                            /* 所分配的物理页 */
unsigned long             total_vm;                       /* 全部页面数 */
unsigned long             locked_vm;                      /* 上锁的页面数 */
unsigned long             saved_auxv[AT_VECTOR_SIZE];     /* 保存的auxv */
cpumask_t                 cpu_vm_mask;                    /* 懒惰TLB交换掩码 */
mm_context_t              context;                        /* 体系结构特殊数据 */
unsigned long             flags;                          /* 状态标志 */
int                       core_waiters;                   /* 内核转储等待线程 */
struct core_state        *core_state;                     /* 内核转储的状态 */
spinlock_t                ioctx_lock;                     /* AIO I/O链表锁 */
struct hlist_head         ioctx_list;                     /* AIO I/O链表 */
};

mmap和mm_rb这两个不同的数据结构体描述的对象是相同的：该地址空间中的全部内存区域。前者以链表形式存放而后者以红黑树形式存放。链表利于简单、高效地遍历所有元素；红黑树更适合搜索指定元素。
所有的mm_struct结构体通过自身的mmlist连接在一个双向链表中，该链表首元素是init_mm内存描述符，它代表init进程的地址空间。

在进程描述符task_struct里，mm成员就是该进程的内存描述符，所以current->mm便指向当前进程的内存描述符。fork()利用copy_mm()复制父进程内存描述符，而子进程中mm_struct实际通过allocate_mm()宏从mm_cache_slab缓存中分配得到。如果希望父进程和子进程共享地址空间，则clone()时，设置CLONE_VM标志，这样这一组父子进程称作线程。共享地址空间几乎是进程和Linux中所谓线程的唯一区别，对Linux来说并不区别对待它们，线程对内核来说只是一个共享特定资源的进程而已。
内核线程没有进程地址空间，即内核线程对应进程描述符中的mm域为空。

虚拟内存区域
内存区域都有一致的属性，如访问权限，相应操作等也一致。这样，**内存区域可以用vm_area_struct（虚拟内存区域）**描述：

struct vm_area_struct {
struct mm_struct                    *vm_mm;                /* 相关的mm_struct结构体 */
unsigned long                        vm_start;             /* 区间首地址 */
unsigned long                        vm_end;               /* 区间尾地址 */
struct vm_area_struct               *vm_next;              /* VMA链表 */
pgprot_t                             vm_page_prot;         /* 访问控制权限 */
unsigned long                        vm_flags;             /* 标志 */
struct rb_node                       vm_rb;                /* 树上VMA的节点 */
union {
    struct{
        struct list_head             list;
        void                        *parent;
        struct vm_area_struct       *head;
    } vm_set;
    struct prio_tree_node            prio_tree_node;
} shared;
struct list_head                     anon_vma_node;        /* anon_vma项 */
struct anon_vma                     *anon_vma;             /* 匿名VMA对象 */
struct vm_operations_struct         *vm_ops;               /* 相关的操作表 */
unsigned long                        vm_pgoff;             /* 文件中的偏移量 */
struct file                         *vm_file;              /* 被映射的文件（如果存在）*/
void                                *vm_private_data;      /* 私有数据 */
}；

vm_flags标志内存区域的访问权限和行为信息等，如读写执行权限，区域向上/下增长等。
vm_start指向区间首地址，vm_end指向区间尾地址，vm_end-vm_start的大小就是内存区间的长度，同一进程地址空间的不同内存区间不能重叠。
vm_next域被插入链表，地址按增长方向排序。

内存区域操作
find_vma()：给定一个内存地址查找属于哪个区域，该函数在指定地址空间中搜索第一个vm_end大于addr的内存区域，其通过红黑树搜索。
find_vma_prev()：和find_vma()工作方式相同，但它返回第一个小于addr的VMA；
find_vma_intersection()：返回第一个和指定地址区间相交的VMA。

mmap()和do_mmap()创建地址区间
内核使用do_mmap()创建一个新的线性地址区间，用户空间通过mmap()系统调用获取内核函数do_mmap()的功能。

mummap()和do_mummap()删除地址区间
do_mummap()从特定进程地址空间中删除指定地址区间，用户空间通过mummap()系统调用获取do_mummap()的功能。

页表
应用程序操作的对象时虚拟内存，而处理器直接操作的是物理内存，所以程序访问一个虚拟地址时，需先将虚拟地址转换为物理地址，然后处理器才能解析地址访问请求。地址转换需要硬件MMU查询页表才能完成，由于每次对虚拟内存中的页面访问必须先解析，所以页表性能非常关键。为了加快搜索，多数体系结构都实现一个翻译后备缓冲器（Translate looaside buffer, TLB），TLB是虚拟地址映射物理地址的缓存，当程序访问虚拟地址时，先检查TLB是否缓存了该虚拟地址到物理地址的映射，如果命中，物理地址直接返回，否则就需要接着查询页表搜索物理地址。