linux虚拟内存结构

一、linux用户态内核态内存结构
对于32位的linux操作系统，系统为每个进程分配0~4G的内存空间，而64位系统则更大：

linux内存空间地址范围

可见Linux的内存分配规则：

二、总体分配规则

1、用户态在低地址，内核态在高地址。

2、 64位的系统，目前一般使用了48位。用户态高16位都是0，内核态高16位一直是FFFF。都用剩下的48位来表示128T。1T==1024*1024*1024*1024。剩下的8位直接上也只用了7位，第48位来表示是内核空间还是用户空间。加一起 48位表示的就是128T。

其中，0x0000000000000000~0x00007fffffffffff 表示用户空间， 0xFFFF800000000000~ 0xFFFFFFFFFFFFFFFF 表示内核空间，共提供 256TB(2^48) 的寻址空间。
这两个区间的特点是，第 47 位与 48~63 位相同，若这些位为 0 表示用户空间，否则表示内核空间。所以上面那个话64位的内存分布图有点问题。用户态128T的最高地址不对。

三、用户空间分配规则

1、用户空间堆申请空间往上涨，栈申请空间往下涨，栈的地址肯定比堆的地址高。然后栈和堆中间还有一段区域用来共享：文件映射， mmap使用。

文件映射，用于映射共享库等程序运行必须的文件，同时该区域可用于申请较大的内存

2、用户空间运行时动态申请内存

malloc的分配内存有两个系统调用，一个brk，一个mmap，brk是将.data的最高地址指针_edata往高地址走，mmap则是在进程的虚拟地址空间（在堆和栈之间的内存映射区域）找一块空间。这两种都是没有实际分配物理内存，只有当真正使用的时候才发生缺页中断，分配物理内存。

一般情况下，使用malloc，如果小于128k，则使用brk分配，如果大于128k，则使用mmap在堆和栈之间找一个空闲空间分配。

3、用户空间虚拟地址中各段内容

A.正文段。这是由cpu执行的机器指令部分。通常，正文段是可共享的，所以即使是经常执行的程序(如文本编辑程序、C编译程序、shell等)在存储器中也只需要有一个副本，另外，正文段常常是只读的，以防止程序由于意外事故而修改器自身的指令。

B.初始化数据段。通常将此段称为数据段，它包含了程序中需赋初值的变量。例如，C程序中任何函数之外的说明:
int maxcount = 99;(全局变量)

C.非初始化数据段。通常将此段称为bss段，这一名称来源于早期汇编程序的一个操作，意思是"block started by symbol",在程序开始执行之前，内核将此段初始化为0。函数外的说明:
long sum[1000];
使此变量存放在非初始化数据段中。注意这个地方初始化和非初始化的区别。

D.栈。自动变量以及每次函数调用时所需保存的信息都存放在此段中。每次函数调用时，其返回地址、以及调用者的环境信息(例如某些机器寄存器)都存放在栈中。然后，新被调用的函数在栈上为其自动和临时变量分配存储空间。通过以这种方式使用栈，C函数可以递归调用。

E.堆。通常在堆中进行动态存储分配。由于历史上形成的惯例，堆位于非初始化数据段顶和栈底之间。

四、内核空间分配规则

1、内核空间结构

内核空间分为几大区域

直接映射区：分配的虚拟地址映射到连续的物理地址上

动态映射区：分配的虚拟地址映射到物理地址是不连续的

永久内存映射区：

固定映射区：虚拟地址是固定的，而被映射的物理地址并不固定。采用固定虚拟地址的好处是它相当于一个指针常量（常量的值在编译时确定），指向物理地址，如果虚拟地址不固定，则相当于一个指针变量。指针常量相比指针变量的好处是可以减少一次内存访问，因为指针变量需要通过内存访问才可以获得指针本身的值。

2、直接映射区

在3GB~(3GB+896MB)这段直接映射区，包含了内核初始化页表swapper_pg_dir，内核镜像等。内核也是由一个elf文件（比如vmlinux）加载启动的，加载后也有text段，data段，bss段等。可通过cat /proc/iomem命令查看kernel的text段，data段和bss段的内存分布。

normal memory区也属于直接映射区，用于kmalloc()的内存分配，kmalloc()返回的是虚拟地址，但分到的内存在物理地址上是连续的。

2、动态映射区

动态映射区即上图vmalloc area区，对应下图VMALLOC_START和VMALLOC_END之间的区域，动态内存映射区和直接映射区（直接映射的物理内存）之间有8MB的间隔。这部分间隔不作任何地址映射，相当于一个空洞，主要用做安全保护，防止不正确的越界内存访问，因为此处没有进行任何形式的映射，如果进入到空洞地带，将会触发处理器产生一个异常。

动态映射区主要供vmalloc()分配内存，同kmalloc()相比，vmalloc()分配的内存只能保证在虚拟地址上连续，不能保证在物理地址上连续。在物理地址上连续有什么好处呢？

可以更好的根据空间局部性原理利用cache，增加数据访问的速度。
由于kmalloc()基于的是直接映射，其虚拟地址和物理地址之间是一个固定的偏移，因此可以利用既有的内核页表，而不需要为新的地址增加新的page table entries，因此其分配速度也比vmalloc()更快。
因为物理地址不连续，通过vmalloc()获得的每个page需要单独映射，而TLB资源很有限，因此这将比直接映射造成更严重的TLB thrashing问题。

用户空间的进程通过malloc()分配内存时，获得的只是虚拟地址的使用权，要等到真正往这块内存写数据了，才会获得对应的物理页面，而且是用多少给多少，而不是要多少给多少。内核空间的vmalloc()不一样，申请的物理内存立刻满足。

五、真实物理内存

网上有ZONE_DMA、ZONE_NORMAL、ZONE_HIGMEM的说法，主要针对真实物理内存的分区

参考：

linux 内存空间（三）内存地址范围和例子

linux中的内核地址空间

https://www.cnblogs.com/antidogmatist/p/16966897.html

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