今天，咱们来介绍一下 Linux 对虚拟内存空间管理的细节。node
以前咱们说过，在 32 位的操做系统中，每一个进程都拥有 4GB 的虚拟内存空间。Linux 根据功能上的差别，把整个虚拟内存空间划分为多个不一样区间，称为 段。linux
咱们先来看看 Linux 进程虚拟内存空间的布局图，如图 1 所示：
架构
上图展现了 Linux 进程的虚拟内存空间布局状况，咱们只关注 用户空间 的布局。ide
从上图能够看出，进程的用户空间大小为 3GB。Linux 按照功能上的差别，把一个进程的用户空间划分为多个段，下面介绍一下各个段的做用：函数
- 代码段：用于存放程序中可执行代码的段。
- 数据段：用于存放已经初始化的全局变量或静态变量的段。如在 C 语言中，使用语句 int global = 10; 定义的全局变量。
- 未初始化数据段：用于存放未初始化的全局变量或静态变量的段。如在 C 语言中，使用语句 int global; 定义的全局变量。
- 堆：用于存放使用 malloc 函数申请的内存。
- mmap区：用于存放使用 mmap 函数映射的内存区。
- 栈：用于存放函数局部变量和函数参数。
虚拟内存区
从上面的介绍可知，Linux 按照功能上的差别，把虚拟内存空间划分为多个 段。那么在内核中，是经过什么结构来管理这些段的呢？布局
答案就是：vm_area_struct。this
内核经过 vm_area_struct 结构（虚拟内存区）来管理各个 段，其定义以下：spa
1struct vm_area_struct { 2 struct mm_struct *vm_mm; /* The address space we belong to. */ 3 unsigned long vm_start; /* Our start address within vm_mm. */ 4 unsigned long vm_end; /* The first byte after our end address within vm_mm. */ 5 6 /* linked list of VM areas per task, sorted by address */ 7 struct vm_area_struct *vm_next; 8 9 pgprot_t vm_page_prot; /* Access permissions of this VMA. */ 10 unsigned long vm_flags; /* Flags, see mm.h. */ 11 struct rb_node vm_rb; 12 ... 13 /* Function pointers to deal with this struct. */ 14 const struct vm_operations_struct *vm_ops; 15 ... 16};
下面介绍一下各个字段的做用：操作系统
- vm_mm：指向进程的内存管理对象，每一个进程都有一个类型为 mm_struct 的内存管理对象，用于管理进程的虚拟内存空间和内存映射等。
- vm_start：虚拟内存区的起始虚拟内存地址。
- vm_end：虚拟内存区的结束虚拟内存地址。
- vm_next：Linux 会经过链表把进程的全部虚拟内存区链接起来，这个字段用于指向下一个虚拟内存区。
- vm_page_prot：主要用于保存当前虚拟内存区所映射的物理内存页的读写权限。
- vm_flags：标识当前虚拟内存区的功能特性。
- vm_rb：某些场景中须要经过虚拟内存地址查找对应的虚拟内存区，为了加速查找过程，内核以虚拟内存地址做为key，把进程全部的虚拟内存区保存到一棵红黑树中，而这个字段就是红黑树的节点结构。
- vm_ops：每一个虚拟内存区均可以自定义一套操做接口，经过操做接口，可以让虚拟内存区实现一些特定的功能，好比：把虚拟内存区映射到文件。而 vm_ops 字段就是虚拟内存区的操做接口集，通常在建立虚拟内存区时指定。
咱们经过图 2 来展现内核是怎么经过 vm_area_struct 结构来管理进程中的全部 段：
code
从上图能够看出，内核经过一个链表和一棵红黑树来管理进程中全部的 段。mm_struct 结构的 mmap 字段就是链表的头节点，而 mm_rb 字段就是红黑树的根节点。
加载程序镜像
前面咱们介绍了 Linux 会把虚拟内存地址划分为多个 段，而且使用 vm_area_struct 结构来管理这些段。那么，这些虚拟内存区是怎么创建起来的呢？
在介绍进程虚拟内存区创建的过程前，咱们先来简单介绍一下 ELF文件格式。
1. ELF文件
ELF 全称 Executable and Linkable Format，便可执行可连接文件格式。在 Linux 系统中，就是使用这种文件格式来存储一个可执行的应用程序。让咱们来看一下 ELF 文件格式由哪些结构组成：
通常一个 ELF 文件由如下三部分组成：
- ELF 头（ELF header）：描述应用程序的类型、CPU架构、入口地址、程序头表偏移和节头表偏移等等；
- 程序头表（Program header table）：列举了全部有效的段（segments）和他们的属性，程序头表须要加载器将文件中的段加载到虚拟内存段中；
- 节头表（Section header table）：包含对节（sections）的描述。
ELF 文件的结构大概如图3所示：
当内核加载一个应用程序时，就是经过读取 ELF 文件的信息，而后把文件中全部的段加载到虚拟内存的段中。ELF 文件经过 程序头表 来描述应用程序中全部的段，表中的每个项都描述一个段的信息。咱们先来看看 程序头表 项的结构定义：
1typedef struct elf64_phdr { 2 Elf64_Word p_type; // 段的类型 3 Elf64_Word p_flags; // 可读写标志 4 Elf64_Off p_offset; // 段在ELF文件中的偏移量 5 Elf64_Addr p_vaddr; // 段的虚拟内存地址 6 Elf64_Addr p_paddr; // 段的物理内存地址 7 Elf64_Xword p_filesz; // 段占用文件的大小 8 Elf64_Xword p_memsz; // 段占用内存的大小 9 Elf64_Xword p_align; // 内存对齐 10} Elf64_Phdr;
因此，程序加载器能够经过 ELF 头中获取到程序头表的偏移量，而后经过程序头表的偏移量读取到程序头表的数据，再经过程序头表来获取到全部段的信息。
咱们能够经过 readelf -S file 命令来查看 ELF 文件的段（节）信息，以下图所示：
上面列出了 代码段、数据段、未初始化数据段 和 注释段 的信息。
2. 加载过程
要加载一个程序，须要调用 execve 系统调用来完成。咱们来看看 execve 系统调用的调用栈：
1sys_execve 2└→ do_execve 3 └→ do_execveat_common 4 └→ __do_execve_file 5 └→ exec_binprm 6 └→ search_binary_handler 7 └→ load_elf_binary
从上面的调用者能够看出，execve 系统调用最终会调用 load_elf_binary 函数来加载程序的 ELF 文件。
因为 load_elf_binary 函数的实现比较复杂，因此咱们分段来解说：
（1）读取并检查ELF头
1static int load_elf_binary(struct linux_binprm *bprm, struct pt_regs *regs) 2{ 3 ... 4 struct { 5 struct elfhdr elf_ex; 6 struct elfhdr interp_elf_ex; 7 } *loc; 8 9 loc = kmalloc(sizeof(*loc), GFP_KERNEL); 10 if (!loc) { 11 retval = -ENOMEM; 12 goto out_ret; 13 } 14 15 // 1. 获取ELF头 16 loc->elf_ex = *((struct elfhdr *)bprm->buf); 17 18 retval = -ENOEXEC; 19 // 2. 检查ELF签名是否正确 20 if (memcmp(loc->elf_ex.e_ident, ELFMAG, SELFMAG) != 0) 21 goto out; 22 23 // 3. 是不是可执行文件或者动态库 24 if (loc->elf_ex.e_type != ET_EXEC && loc->elf_ex.e_type != ET_DYN) 25 goto out; 26 27 // 4. 检查系统架构是否正确 28 if (!elf_check_arch(&loc->elf_ex)) 29 goto out; 30 ...
上面这段代码主要是读取应用程序的 ELF 头，而后检查 ELF 头信息是否合法。
（2）读取程序头表
1 size = loc->elf_ex.e_phnum * sizeof(struct elf_phdr); // 程序头表的大小 2 retval = -ENOMEM; 3 4 elf_phdata = kmalloc(size, GFP_KERNEL); // 申请一块内存来保存程序头表 5 if (!elf_phdata) 6 goto out; 7 8// 从ELF文件中读取程序头表的数据, 而且保存到 elf_phdata 变量中 9 retval = kernel_read(bprm->file, loc->elf_ex.e_phoff, (char *)elf_phdata, size); 10 if (retval != size) { 11 if (retval >= 0) 12 retval = -EIO; 13 goto out_free_ph; 14 } 15 ...
上面的代码主要完成如下几个工做：
从 ELF 头的信息中获取到程序头表的大小。 调用 kmalloc 函数申请一块内存来保存程序头表。 调用 kernel_read 函数从 ELF 文件中读取程序头表的数据，保存到 elf_phdata 变量中，程序头表的偏移量能够经过 ELF 头的 e_phoff 字段获取。
（3）加载段到虚拟内存
1 // 遍历程序头表全部的段 2 for (i = 0, elf_ppnt = elf_phdata; i < loc->elf_ex.e_phnum; i++, elf_ppnt++) { 3 int elf_prot = 0, elf_flags; 4 unsigned long k, vaddr; 5 6 if (elf_ppnt->p_type != PT_LOAD) // 判断段是否须要加载 7 continue; 8 ... 9 // 段的可读写权限 10 if (elf_ppnt->p_flags & PF_R) 11 elf_prot |= PROT_READ; 12 if (elf_ppnt->p_flags & PF_W) 13 elf_prot |= PROT_WRITE; 14 if (elf_ppnt->p_flags & PF_X) 15 elf_prot |= PROT_EXEC; 16 17 elf_flags = MAP_PRIVATE | MAP_DENYWRITE | MAP_EXECUTABLE; 18 19 vaddr = elf_ppnt->p_vaddr; // 获取段的虚拟内存地址 20 ... 21 // 把段加载到虚拟内存 22 error = elf_map(bprm->file, load_bias + vaddr, elf_ppnt, elf_prot, elf_flags, 0); 23 ... 24 }
上面这段代码主要完成的工做是：
- 遍历程序头表全部的段。
- 判断段是否须要加载。
- 获取段的可读写权限和段的虚拟内存地址。
- 调用 elf_map 函数把段加载到虚拟内存。
因此，把段加载到虚拟内存主要经过 elf_map 函数完成。咱们来看看 elf_map 函数的调用栈：
1elf_map 2└→ do_mmap 3 └→ do_mmap_pgoff 4 └→ mmap_region 从上面的调用者能够看出，elf_map 函数最终会调用 mmap_region 来完成加载段到虚拟内存。咱们分析一下 mmap_region 函数的实现： 1unsigned long 2mmap_region(struct file *file, unsigned long addr, unsigned long len, 3 unsigned long flags, unsigned int vm_flags, unsigned long pgoff) 4{ 5 struct mm_struct *mm = current->mm; 6 struct vm_area_struct *vma, *prev; 7 ... 8 // 申请一个 vm_area_struct 结构 9 vma = kmem_cache_zalloc(vm_area_cachep, GFP_KERNEL); 10 if (!vma) { 11 error = -ENOMEM; 12 goto unacct_error; 13 } 14 15 // 设置 vm_area_struct 结构各个字段的值 16 vma->vm_mm = mm; 17 vma->vm_start = addr; // 段的开始虚拟内存地址 18 vma->vm_end = addr + len; // 段的结束虚拟内存地址 19 vma->vm_flags = vm_flags; // 段的功能特性 20 vma->vm_page_prot = vm_get_page_prot(vm_flags); 21 vma->vm_pgoff = pgoff; 22 23 ... 24 // 把 vm_area_struct 结构链接到虚拟内存区链表和红黑树中 25 vma_link(mm, vma, prev, rb_link, rb_parent); 26 ... 27 28 return addr; 29}
上面代码对 mmap_region 函数进行了精简，精简后的工做主要有：
- 调用 kmem_cache_zalloc 函数申请一个 vm_area_struct（虚拟内存区）结构。
- 设置 vm_area_struct 结构各个字段的值。
- 调用 vma_link 函数把 vm_area_struct 结构链接到虚拟内存区链表和红黑树中。
经过上面的过程，内核就把应用程序的全部段加载到虚拟内存中。
总结
本文主要介绍了 Linux 内核是怎么加载应用程序，而且在虚拟内存中创建各个段的布局。本文主要关注的是虚拟内存布局的创建过程，但加载应用程序的不少细节都忽略了（如怎么设置进程入口），有兴趣能够自行查阅相关的资料和书籍。