linux内存布局及页面映射
在Linux系統(tǒng)中，以32bit x86系統(tǒng)來說，進(jìn)程的4GB內(nèi)存空間（虛擬地址空間）被劃分成為兩個(gè)部分
------用戶空間和內(nèi)核空間，大小分別為0-3G，3-4G。
?????? 用戶進(jìn)程通常情況下，只能訪問用戶空間的虛擬地址，不能訪問到內(nèi)核空間。
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?????? 每個(gè)進(jìn)程的用戶空間存放用戶的程序和代碼（堆棧，數(shù)據(jù)區(qū)，代碼區(qū)等），因?yàn)槭翘摂M地址，所以每個(gè)進(jìn)程的用戶空間是完全獨(dú)立的，互不影響。用戶進(jìn)程有自己的進(jìn)程頁表。
????? 內(nèi)核空間是內(nèi)核負(fù)責(zé)映射物理地址的（所有的進(jìn)程共享一份內(nèi)核空間的映射？？？這個(gè)還不太確定），內(nèi)核空間有自己對(duì)應(yīng)的頁表，它與用戶空間是獨(dú)立的。
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1.我們先來看一下用戶空間的內(nèi)存布局（即進(jìn)程在內(nèi)存的布局--C運(yùn)行時(shí)庫對(duì)內(nèi)存的分配和管理）（下圖中0--3G的范 圍）：
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????從上圖我們可以看到，用戶進(jìn)程的代碼區(qū)一般從虛擬地址空間的0x08048000開始，這是為了便于檢查空指針。代碼區(qū)之上便是數(shù)據(jù)區(qū)，未初始化數(shù)據(jù)區(qū)，堆區(qū)，棧區(qū)，以及參數(shù)、全局環(huán)境變量。用戶空間內(nèi)存布局可以分為以下幾個(gè)方面（用戶程序中所申請分配的都是用戶空間的虛擬地址）：
???代碼段（.text/ code segment）：這里存放程序執(zhí)行代碼（cpu要執(zhí)行的指令）的一塊內(nèi)存區(qū)域。這部分區(qū)域在程序運(yùn)行前就確定了，通常情況下是只讀的（防止程序由于錯(cuò)誤而修改自身指令）。某些結(jié)構(gòu)也允許代碼段可寫，即可以修改程序。代碼段是可以共享的，相同的代碼在內(nèi)存中只有一份拷貝。除了代碼外，這個(gè)區(qū)域里面也可能包含一些只讀的常數(shù)變量，如字符串常量? char *p="12345" ,這里“12345”就存在代碼段里面。
????初始化數(shù)據(jù)段（.data segment）：這里存放的是程序中需要明確賦初始值的變量，如已經(jīng)初始化的全局變量。數(shù)據(jù)段屬于靜態(tài)內(nèi)存分配。包括static變量。
????未初始化數(shù)據(jù)段（.bss）：存放未經(jīng)初始化的全局變量。內(nèi)核在執(zhí)行該程序前，將其初始化為0或者null。BBS（block started by symbol), 屬于靜態(tài)內(nèi)存分配。
???堆（Heap）：存放程序中進(jìn)行動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請，例如經(jīng)常用到的malloc，new系列函數(shù)就是從這個(gè)段中申請內(nèi)存。堆的大小不固定，可以動(dòng)態(tài)增加（malloc)和縮減（free)
????棧（Stack）：又稱堆棧，函數(shù)中的局部變量以及在函數(shù)調(diào)用過程中產(chǎn)生的臨時(shí)變量都保存在此段中。（在函數(shù)被調(diào)用時(shí)，其參數(shù)也會(huì)被壓入發(fā)起調(diào)用的進(jìn)程棧中，并且待到調(diào)用結(jié)束后，函數(shù)的返回值也會(huì)被存放回棧中。由于棧的先進(jìn)先出特點(diǎn)，所以棧特別方便用來保存/恢復(fù)調(diào)用現(xiàn)場。從這個(gè)意義上講，我們可以把堆棧看成一個(gè)寄存、交換臨時(shí)數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)。?）
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注：
1. 代碼段（.text)和初始化數(shù)據(jù)段(.data) 都位于程序的可執(zhí)行文件中，內(nèi)核在調(diào)用exec函數(shù)啟動(dòng)該程序時(shí)從源程序文件中讀入。
2. 棧是自頂向下擴(kuò)展，棧是有界的（系統(tǒng)為?stack?區(qū)域保留了?128M?內(nèi)存地址空間）。 堆是自底向上擴(kuò)展，mmap映射區(qū)自頂向下擴(kuò)展，mmap?映射區(qū)域和堆相對(duì)擴(kuò)展，直至耗盡虛擬地址空間中的剩余區(qū)域，這種結(jié)構(gòu)便于?C?運(yùn)行時(shí)庫使用?mmap?映射區(qū)域和堆進(jìn)行內(nèi)存分配。3.棧和?mmap?映射區(qū)域并不是從一個(gè)固定地址開始，并且每次的值都不一樣，這是程序在啟動(dòng)時(shí)隨機(jī)改變這些值的設(shè)置，使得使用緩沖區(qū)溢出進(jìn)行攻擊更加困難。當(dāng)然也可以讓程序的棧和?mmap?映射區(qū)域從一個(gè)固定位置開始，只需要設(shè)置全局變量?randomize_v?a_space?值為?0?，這個(gè)變量默認(rèn)值為?1?。用戶可以通過設(shè)置/proc/sys/kernel/randomize_va_space?來停用該特性，也可以用如下命令：
???????sudo sysctl -w kernel.randomize_va_space=0
4.bss段（未手動(dòng)初始化的數(shù)據(jù)）并不給該段的數(shù)據(jù)分配空間，只是記錄數(shù)據(jù)所需空間的大小。bss中未經(jīng)初始化 的變量由exec初始化為0.
5.data（已手動(dòng)初始化的數(shù)據(jù)）段則為數(shù)據(jù)分配空間，數(shù)據(jù)保存在目標(biāo)文件中。6. 代碼段的大小在連接器鏈接之前，就得到，數(shù)據(jù)段包含經(jīng)過初始化的全局變量以及它們的值，BSS段的大小從可執(zhí)行文件中得到?，然后鏈接器得到這個(gè)大小的內(nèi)存塊，緊跟在數(shù)據(jù)段后面。當(dāng)這個(gè)內(nèi)存區(qū)進(jìn)入程序的地址空間后全部清零。包含數(shù)據(jù)段和BSS段的整個(gè)區(qū)段此時(shí)通常稱為數(shù)據(jù)區(qū)
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2.在進(jìn)程空間的3-4G之間的內(nèi)核空間中，從低地址到高地址依次為：物理內(nèi)存映射區(qū)—隔離帶—vmalloc虛擬內(nèi)存分配區(qū)—隔離帶—高端內(nèi)存映射區(qū)—專用頁面映射區(qū)—保留區(qū)
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對(duì)照左右兩個(gè)圖（右邊的圖對(duì)于3G--3G+896范圍分的更加詳細(xì)一些），主要有以下幾個(gè)區(qū)域（從上到下）
（1）高端128M由3部分組成（3G+896M--4G): ---這段空間需要通過頁表轉(zhuǎn)換才能與物理地址空間映射
- 高端內(nèi)存臨時(shí)內(nèi)核映射區(qū)（temporary kernel mapping)
- 高端內(nèi)存永久內(nèi)核映射區(qū)（persistent kernel mapping)
- vmalloc用來分配物理地址非連續(xù)的內(nèi)存空間（vmalloc area)?
（2）系統(tǒng)物理內(nèi)存映射區(qū)（從下到上3G--3G+896）：----這段空間可以跟物理地址空間896M以下進(jìn)行直接映射
- 3G--3G+16M(低端16M區(qū)域）：用于DMA操作
- kernel image
- mem_map
- 其他內(nèi)存區(qū)域
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??【內(nèi)核空間內(nèi)存動(dòng)態(tài)申請】主要包括三個(gè)函數(shù)：kmalloc(), __get_free_pages, vmalloc。 ???? kmalloc(),__get_free_pages申請的內(nèi)存位于物理地址映射區(qū)（3G--3G+896)，且在物理上也是連續(xù)的，它們與真實(shí)的物理地址只有一個(gè)固定偏 ??? 移（可以直接映射，因此存在較簡單的轉(zhuǎn)換關(guān)系。而vmalloc申請的內(nèi)存位于vmalloc虛擬內(nèi)存分配區(qū)（這些區(qū)都是以線性地址為度量），它在 ??? 虛擬內(nèi)存空間給出一塊連續(xù)的內(nèi)存區(qū)，實(shí)質(zhì)上，這片連續(xù)的虛擬內(nèi)存在物理內(nèi)存中并不一定連續(xù)，需要通過頁表轉(zhuǎn)換。 ???因?yàn)関malloc申請的在虛擬內(nèi)存空間連續(xù)的內(nèi)存區(qū)在物理內(nèi)存中并不一定連續(xù)，可以想象為了完成vmalloc，新的頁表需要被建立，因此，調(diào)用 ??? vmalloc來分配少量內(nèi)存是不妥的。一般來講，kmalloc用來分配小于128K的內(nèi)存，而更大的內(nèi)存塊需要用vmalloc來實(shí)現(xiàn) ? ? 【虛擬地址與物理地址關(guān)系】 ?? 對(duì)于內(nèi)核物理內(nèi)存映射區(qū)的虛擬內(nèi)存（用kmalloc(), __get_free_pages申請的），使用virt_to_phys()和phys_to_virt()來實(shí)現(xiàn)物理地址和內(nèi)核虛擬 ?? 地址之間的互相轉(zhuǎn)換。它實(shí)際上，僅僅做了3G的地址移位。 ? |
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3. 下面我們來看下x86實(shí)際的物理地址空間布局：
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linux中頁為單位來管理內(nèi)存，內(nèi)核將所有的物理地址劃分為2^12個(gè)頁面（Linux系統(tǒng)在初始化時(shí)，會(huì)根據(jù)實(shí)際的物理內(nèi)存的大小，為每個(gè)物理頁面創(chuàng)建一個(gè)page對(duì)象，所有的page對(duì)象構(gòu)成一個(gè)mem_map數(shù)組），所有物理頁面從圖上可以看到劃分到3類內(nèi)存管理區(qū)中，ZONE_DMA，ZONE_NORMAL，ZONE_HIGHMEM。?
- ZONE_DMA的范圍是0~16M：
??????? ?0-640K 被PCI設(shè)備的I/O內(nèi)存映射占據(jù)，它們的大小和布局由PCI規(guī)范所決定。
???????? 640K~1M這段地址空間被BIOS和VGA適配器所占據(jù)。
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???????? 由于這兩段地址空間的存在，導(dǎo)致相應(yīng)的RAM空間不能被CPU所尋址(當(dāng)CPU訪問該段地址時(shí)，北橋會(huì)自動(dòng)將目的物理地址“路由”到相應(yīng)的I/O設(shè)備上，不會(huì)發(fā)送給RAM)，從而形成RAM空洞。
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???? 1M-16M 該區(qū)域的物理頁面專門供I/O設(shè)備的DMA使用。之所以需要單獨(dú)管理DMA的物理頁面，是因?yàn)镈MA使用物理地址訪問
???? 內(nèi)存，不經(jīng)過MMU，并且需要連續(xù)的緩沖區(qū)，所以為了能夠提供物理上連續(xù)的緩沖區(qū)，必須從物理地址空間專門劃分一段區(qū)
???? 域用于DMA。?
- ZONE_NORMAL的范圍是16M~896M，該區(qū)域的物理頁面是內(nèi)核能夠直接使用的（可以到內(nèi)核3G--3G+896M直接映射）。?
- ZONE_HIGHMEM的范圍是896M~結(jié)束，該區(qū)域即為高端內(nèi)存，內(nèi)核不能直接使用。
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4. 內(nèi)核空間和物理空間的映射：
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?? 1. 由于ZONE_NORMAL和內(nèi)核線性空間存在直接映射關(guān)系，所以內(nèi)核會(huì)將頻繁使用的數(shù)據(jù)如kernel代碼、GDT、IDT、PGD、mem_map數(shù)組等放在ZONE_NORMAL里。而將用戶數(shù)據(jù)、頁表(PT)等不常用數(shù)據(jù)放在ZONE_ HIGHMEM里，只在要訪問這些數(shù)據(jù)時(shí)才建立映射關(guān)系(kmap())。比如，當(dāng)內(nèi)核要訪問I/O設(shè)備存儲(chǔ)空間時(shí)，就使用ioremap()將位于物理地址高端的mmio區(qū)內(nèi)存映射到內(nèi)核空間的vmalloc area中，在使用完之后便斷開映射關(guān)系。?
?? 2.由于開啟了分頁機(jī)制，內(nèi)核想要訪問物理地址空間的話，必須先建立映射關(guān)系，然后通過虛擬地址來訪問。為了能夠訪問所有的物理地址空間，就要將全部物理地址空間映射到1G的內(nèi)核線性空間中，這顯然不可能。于是，內(nèi)核將0~896M的物理地址空間一對(duì)一映射到自己的線性地址空間中，這樣它便可以隨時(shí)訪問ZONE_DMA和ZONE_NORMAL里的物理頁面；此時(shí)內(nèi)核剩下的128M線性地址空間不足以完全映射所有的ZONE_HIGHMEM，Linux采取了動(dòng)態(tài)映射的方法，即按需的將ZONE_HIGHMEM里的物理頁面映射到kernel?space的最后128M線性地址空間里，使用完之后釋放映射關(guān)系，以供其它物理頁面映射。雖然這樣存在效率的問題，但是內(nèi)核畢竟可以正常的訪問所有的物理地址空間了。
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5.?一般用戶空間要通過內(nèi)核空間，最終映射到物理地址空間（？？？？），用戶空間與物理空間也可能存在直接的映射：
? 當(dāng)RAM足夠多時(shí)，內(nèi)核會(huì)將用戶數(shù)據(jù)保存在ZONE_ HIGHMEM，從而為內(nèi)核騰出內(nèi)存空間。
https://blog.csdn.net/sinat_16790541/article/details/42244757
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的linux内存布局及页面映射的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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