幾個關鍵的數據結構

一個進程的虛擬地址空間主要由兩個數據結來描述，一個是 mm_struct，一個是 vm_area_structs。

• mm_struct結構描述了一個進程的整個虛擬地址空間，vm_area_truct描述了虛擬地址空間的一個區間（簡稱虛擬區）。下圖就是我們所說的由task_struct到mm_struct，進程的地址空間的分布。

每一個進程都會有自己獨立的mm_struct，這樣每一個進程都會有自己獨立的地址空間，這樣才能互不干擾。當進程之間的地址空間被共享的時候，我們可以理解為這個時候是多個進程使用一份地址空間，這就是線程。

struct mm_struct
{
     struct vm_area_struct *mmap;    //指向虛擬區間(VMA)鏈表
     struct rb_root mm_rb;           //指向red_black樹
     struct vm_area_struct *mmap_cache;    //找到最近的虛擬區間

     unsigned long(*get_unmapped_area)(struct file *filp,unsigned long addr,unsigned long len,unsigned long pgoof,unsigned long flags);

     void (*unmap_area)(struct mm_struct *mm,unsigned long addr);

     unsigned long mmap_base;

     unsigned long task_size;   //擁有該結構體的進程的虛擬地址空間的大小
     unsigned long cached_hole_size;
     unsigned long free_area_cache;

     pgd_t *pgd;  //指向頁全局目錄

     atomic_t mm_users;         //用戶空間中有多少用戶
     atomic_t mm_count;         //對"struct mm_struct"有多少引用

     int map_count;            //虛擬區間的個數
     struct rw_semaphore mmap_sem;
     spinlock_t page_table_lock;       //保護任務頁表和mm->rss

     struct list_head mmlist;          //所有活動mm的鏈表
     mm_counter_t _file_rss;
     mm_counter_t _anon_rss;
     unsigned long hiwter_rss;
     unsigned long hiwater_vm;


     unsigned long total_vm,locked_vm,shared_vm，exec_vm;
     usingned long stack_vm,reserved_vm,def_flags,nr_ptes;

     unsingned long start_code,end_code,start_data,end_data;  //代碼段的開始start_code ，結束end_code，數據段的開始start_data，結束end_data

     unsigned long start_brk,brk,start_stack;    //start_brk和brk記錄有關堆的信息，start_brk是用戶虛擬地址空間初始化，brk是當前堆的結束地址，start_stack是棧的起始地址

     unsigned long arg_start,arg_end,env_start,env_end;     //參數段的開始arg_start，結束arg_end，環境段的開始env_start，結束env_end
     unsigned long saved_auxv[AT_VECTOR_SIZE]；

     struct linux_binfmt *binfmt;

     cpumask_t cpu_vm_mask;
     mm_counter_t context;
     unsigned int faultstamp;
     unsigned int token_priority;
     unsigned int last_interval;

     unsigned long flags;
     struct core_state *core_state;
}

• 分配的每個虛擬內存區域都由一個vm_area_struct 數據結構來管理，包括虛擬內存的起始和結束地址，以及內存的訪問權限等，通常命名為vma；vm_area_struct 數據結構的定義如下：

struct vm_area_struct {
 /* The first cache line has the info for VMA tree walking. 
 第一個緩存行具有VMA樹移動的信息*/
 
 unsigned long vm_start;  /* Our start address within vm_mm. */
 unsigned long vm_end;  /* The first byte after our end address within vm_mm. */
 
 /* linked list of VM areas per task, sorted by address
 每個任務的VM區域的鏈接列表，按地址排序*/
 struct vm_area_struct *vm_next, *vm_prev;
 
 struct rb_node vm_rb;
 
 /*
  此VMA左側最大的可用內存間隙（以字節為單位）。 
  在此VMA和vma-> vm_prev之間，
  或者在VMA rbtree中我們下面的一個VMA與其->vm_prev之間。 
  這有助于get_unmapped_area找到合適大小的空閑區域。
  */
 unsigned long rb_subtree_gap;
 
 /* Second cache line starts here. 
 第二個緩存行從這里開始*/
 
 struct mm_struct *vm_mm; /* 我們所屬的address space*/
 pgprot_t vm_page_prot;  /* 此VMA的訪問權限 */
 unsigned long vm_flags;  /* Flags, see mm.h. */
 
 /*
  對于具有地址空間（address apace）和后備存儲(backing store)的區域，
  鏈接到address_space->i_mmap間隔樹，或者鏈接到address_space-> i_mmap_nonlinear列表中的vma。
  */
 union {
  struct {
   struct rb_node rb;
   unsigned long rb_subtree_last;
  } linear;
  struct list_head nonlinear;
 } shared;
 
 /*
  在其中一個文件頁面的COW之后，文件的MAP_PRIVATE vma可以在i_mmap樹和anon_vma列表中。
  MAP_SHARED vma只能位于i_mmap樹中。 
  匿名MAP_PRIVATE，堆棧或brk vma（帶有NULL文件）只能位于anon_vma列表中。
  */
 struct list_head anon_vma_chain; /* Serialized by mmap_sem & * page_table_lock
          由mmap_sem和* page_table_lock序列化*/
 struct anon_vma *anon_vma; /* Serialized by page_table_lock 由page_table_lock序列化*/
 
 /* 用于處理此結構體的函數指針 */
 const struct vm_operations_struct *vm_ops;
 
 /* 后備存儲（backing store）的信息: */
 unsigned long vm_pgoff;  /* 以PAGE_SIZE為單位的偏移量（在vm_file中），*不是* PAGE_CACHE_SIZE*/
 struct file * vm_file;  /* 我們映射到文件（可以為NULL）*/
 void * vm_private_data;  /* 是vm_pte（共享內存） */
 
#ifndef CONFIG_MMU
 struct vm_region *vm_region; /* NOMMU映射區域 */
#endif
#ifdef CONFIG_NUMA
 struct mempolicy *vm_policy; /* 針對VMA的NUMA政策 */
#endif
};

小實驗

• insmod test.ko pid_mem=3253 顯示各個vma區域

• cat /proc/3253/maps 顯示各個vma區域    

看下兩種方式的對比：