linux内存概念理解

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内核空间

内核空间的扩展功能

硬件层面

ARM64虚拟地址空间划分

进程的用户虚拟地址空间

内存布局

物理地址空间

内存映射

内核空间

1）内核空间的基本功能
虚拟内存管理，负责从进程的虚拟地址空间分配虚拟页，
   sys_brk用来扩大或收缩堆，
   sys_mmap用来在内存映射区域分配虚拟页
   sys_munmap用来释放虚拟页；

2）内核延迟分配物理内存的策略：进程第一次访问虚拟内存的时候，触发页错误异常，
页错误异常处理程序从页分配器申请物理页，在进程的页表中把虚拟页映射到物理页。

3）页分配器负责分配物理页，当前使用的页分配器是伙伴分配器；

4）内核空间把页划分成小块内存，提供分配内存的接口kmalloc和释放内存的接口kfree
支持slab slub slob

5）在内核初始化过程中，页分配器没有准备好，需要使用临时的引导内存分配器分配内存。

内核空间的扩展功能

1）不连续页分配器提供了分配内存的接口vmalloc和释放内存的接口vfree.在内存碎片化的时候，申请连续物理页的成功率很低，可以申请不连续的物理页，映射到连续的虚拟页。即虚拟地址连续而物理地址不连续。

2）每处理器内存分配用来为每处理器变量分配内存

3）连续内存分配器（Coutiguous Memory allocator ,CMA）用来给驱动程序预留一段连续的内存，当驱动程序不用的时候，可以给进程使用；当驱动程序使用的时候，
把进程占用的内存通过页回收或迁移的方式让出来，给驱动程序使用。

4）内存控制组用来控制今年初占用的内存资源

5）内存碎片化时，找不到连续的物理页，内存碎片整理通过迁移的方式得到连续的物理页。

6）内存不足的时候，页回收负责回收物理页，对于没有后备存储设备支持的匿名页，把数据换出到交换器，然后释放物理页；
对于有后备存储支持的文件页，把数据写回存储设备，然后释放物理页。

7）如果页回收失败，内存耗尽杀手，选择进程杀掉。

硬件层面

MMU内存管理单元，负责把虚拟地址转化成物理地址
TLB页表缓存，保存最近使用的页表映射，避免每次把虚拟地址转换成物理地址都需要查询内存中的页表。
一级缓存二级缓存，解决处理器与内存速度不匹配问题。
为了支持并行地取指令和取数据，一级缓存分为数据缓存和指令缓存。

ARM64虚拟地址空间划分

1、虚拟地址的最大宽度是48位
2、内核虚拟地址[0XFFFF 0000 0000 0000 ,OXFFFF FFFF FFFF FFFF]
3、用户虚拟地址[0x0000 0000 0000 0000 ,0X0000 FFFF FFFF FFFF]
4、内核虚拟地址和用户虚拟地址的宽度相同
5、所有进程共享内核虚拟地址空间，每个进程有独立的用户虚拟地址空间
6、同一个线程组的用户线程共享用户用户虚拟地址空间，内核线程没有用户虚拟地址空间。

进程的用户虚拟地址空间

1，代码段数据段和未初始化数据段
2、动态库代码段，数据段和未初始化数据段
3、存放动态生成的数据堆
4、存放局部变量和函数调用的栈
5、存放栈底部的环境变量和参数字符串
6、把文件区间映射到虚拟地址空间的内存映射区域。

为了使缓冲区溢出攻击更加困难，内核支持为内存映射区域、栈和堆随机的起始地址。进程是否使用虚拟地址空间随机化，由以下两个因素共同决定
1、进程描述符的成员personaliy是否设置ADDR_NO_RANDOMIZE
2、全局变量randomize_va_space：0表示关闭虚拟地址空间随机化；1表示使内存映射映射区域和栈的起始地址随机化；2表示内存映射区域、栈和堆起始地址随机化。

可以通过/proc/sys/kernel/randomize_va_space修改

内存布局

自顶向下增长，起始地址是STACK_TOP - 栈的最大长度 - 间隙。默认启用内存映射区域随机化，需要把起始地址减去一个随机值。

内核地址空间布局
1、线性映射区域的范围是[PAGE_OFFSET,2^64-1],起始位置是内核虚拟地址空间一半。

PAGE_OFFSET = 0xFFFFFFFFFFFFFFFF<<(VA_BIT-1)

虚拟地址=（（物理地址 - PHYS_OFFSET）+ PAGE_OFFSET）,其中PHYS_OFFSET是内存的物理地址

2、vmemmap区域范围[VMEMMAP_START,PAGE_OFFSET),长度是VMEMMAP_SIZE=(线性映射区域长度/页长度 * page结构体的长度上限)
3、PCI/IO区域范围是[PIC_IO_START,PCI_IO_END) 长度是16M，结束地址是PCI_IO_END=(VMEMMAP_START-2MB)
4、固定映射区域的范围[FIXADDR_START,FIXADDR_TOP),长度是FIXADDR_SIZE,结束地址是FIXADDR_TOP = (PCI_IO_START-2MB)
5、vmalloc区域范围是[VMALLOC_START,VMALLOC_END),内核镜像在此区域
6、内核模块区域范围[MODULES_VADDR,MODULES_END]，长度128M
7、KASAN （动态的内存错误检查工具）影子区域的起始地址是内核虚拟地址空间的起始地址，长度是内核虚拟地址的1/8

物理地址空间

物理地址是处理器在系统总线上看到，使用精简指令集的处理器通常只实现一个物理地址空间

外围设备和物理内存使用统一的物理地址空间，有些处理器架构把分配给外围设备的物理地址区域称为设备内存。

处理器通过外围控制器的寄存器访问外围设备，分为控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器三大类。
处理器对外围设备寄存器的编制方式有两种：
1、I/O映射方式
2、内存映射方式

程序只能通过虚拟地址访问外设寄存器，
ioremap 把外设寄存器的物理地址映射到内核虚拟地址空间
io_remap_pfn_range()把外设寄存器的物理地址映射到进程的用户虚拟地址空间

ARM64结构定义了两种内存类型
正常内存：物理内存和只读寄存器(ROM)
   共享属性：
       不可共享：只能被处理器的一个核使用
       内部共享：一个处理器的所有共享或者多个处理器共享
       外部共享：处理器和其他观察者（如DMA）共享
   缓存属性：用来定义访问时是否通过缓存处理器
设备内存：分配给外围设备寄存器的物理地址区域
   共享属性总是外部共享
   缓存属性总是不可缓存