Linux:操作系统分析 Chapter9 Linux中的进程地址空间 陈香兰(xlanchen@ustc.edu.cn) 计算机应用教研室©计算机学院 嵌入式系统实验室●苏州研究院 中国科学技术大学 Fa112014 November 4,2014 1口t4四1是42刀00 陈香兰(x1 anchenoustc,edu.cn)(升算丸应Linux操作系统分析hapter9 Linux中的达权. None0er4,20141727
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Linux操作系统分析 Chapter 9 Linux中的进程地址空间 陈香兰（xlanchen@ustc.edu.cn） 计算机应用教研室@计算机学院 嵌入式系统实验室@苏州研究院 中国科学技术大学 Fall 2014 November 4, 2014 陈香兰（xlanchen@ustc.edu.cn） (计算机应用教研室 Linux操作系统分析Chapter 9 Linux中的进程地址空间 @计算机学院嵌入式系统实验室@苏州研究院中国科学技术大学Fall 2014) November 4, 2014 1 / 27
Outline 进程地址空间和线性区 ② 缺页异常 小结和作业 1口t4四1是42刀00 陈香兰(x1 anchenoustc,edu.cn)(计算丸应Lioux操作看统分析Chapter9Lnux中的进权： None0er4,20142/23
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Outline 1. 进程地址空间和线性区 .2 缺页异常 .3 小结和作业 陈香兰（xlanchen@ustc.edu.cn） (计算机应用教研室 Linux操作系统分析Chapter 9 Linux中的进程地址空间 @计算机学院嵌入式系统实验室@苏州研究院中国科学技术大学Fall 2014) November 4, 2014 2 / 27
内核态和用户态分配内存的不同 ·内核中的函数以直接了当的方式获得动态内存 。内核是操作系统中优先级最高的成分。 ●内核信任自己 ·采用我们上次课介绍的页面级内存分配和小内存分配 ,空闲夏延管理 代伴算法 ,空闲夏挺管理 Zone_highnen 一空网夏框管理 南p级加 164 物理内存： 物理内存： ZONE_HIGEEM 物理内存： ZONE_DAA ZONE_NORMAL 线性空何(30) 线性室同(3cB4GB-1)】 3GB 3G+16MB 3G+836B4GB-1 4口4四是42刀00 陈香兰(x1 anchenoustc,edu,cn)(计算丸应Linux操作表统分所Chapter9 Linux中的边权： November 4.2014 3/27
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 内核态和用户态分配内存的不同 内核中的函数以直接了当的方式获得动态内存 内核是操作系统中优先级最高的成分。 内核信任自己 采用我们上次课介绍的页面级内存分配和小内存分配 线性空间（<3G） 线性空间（3GB～4GB-1） 物理内存： ZONE_DMA 物理内存： ZONE_NORMAL 物理内存： ZONE_HIGHMEM 0 16MB 896MB MAX-1 0 3GB 3G+16MB 3G+896MB 4GB-1 Mem_map数组 Zone_dma Zone_normal Zone_highmem 空闲页框管理 空闲页框管理 空闲页框管理 伙伴算法 陈香兰（xlanchen@ustc.edu.cn） (计算机应用教研室 Linux操作系统分析Chapter 9 Linux中的进程地址空间 @计算机学院嵌入式系统实验室@苏州研究院中国科学技术大学Fall 2014) November 4, 2014 3 / 27
内核态和用户态分配内存的不同 ●给用户态进程分配内存时 ·请求被认为是不紧迫的 。用户进程不可信任 ·因此，当用户态进程请求动态内存时，并没有立即获得 实际的物理页框，而仅仅获得对一个新的线性地址区间 的使用权 ·这个线性地址区间会成为进程地址空间的一部分，称作 线性区(memory areas) 1口4四￥是42，在月0C 陈香兰(x1 anchenoustc,edu,cn)(计算丸应Linux操作看统分析Chapter9 Linux中的选权. None0er4,20143/29
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 内核态和用户态分配内存的不同 给用户态进程分配内存时 请求被认为是不紧迫的 用户进程不可信任 因此，当用户态进程请求动态内存时，并没有立即获得 实际的物理页框，而仅仅获得对一个新的线性地址区间 的使用权 这个线性地址区间会成为进程地址空间的一部分，称作 线性区(memory areas) 陈香兰（xlanchen@ustc.edu.cn） (计算机应用教研室 Linux操作系统分析Chapter 9 Linux中的进程地址空间 @计算机学院嵌入式系统实验室@苏州研究院中国科学技术大学Fall 2014) November 4, 2014 3 / 27
Outline 进程地址空间和线性区 缺页异常 小结和作业 1口t4四1是42刀00 陈香兰(x1 anchenoustc,edu,cn)(计算机应Lioux操作看统分折hapter9L1nux中的进权. November4,20144/27
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Outline . 1. 进程地址空间和线性区 .2 缺页异常 .3 小结和作业 陈香兰（xlanchen@ustc.edu.cn） (计算机应用教研室 Linux操作系统分析Chapter 9 Linux中的进程地址空间 @计算机学院嵌入式系统实验室@苏州研究院中国科学技术大学Fall 2014) November 4, 2014 4 / 27
进程地址空间和线性区 。进程最多能访问4GB的线性地址空间 ·但进程在访问某个线性空间之前，必须获得该线性空间的许可 。因此，一个进程的地址空间是由允许该进程访问的全部线性地 址组成 ·内核使用线性区资源来表示线性地址空间 。每个线性区由起始线性地址、长度和一些存取权限描述 口40是42在月0C 陈香兰(x1 anchenoustc,edu.cn)(计算丸应L1nux操作看统分析Chapter9 Linux中的选权： November 4.2014 5/27
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 进程地址空间和线性区 进程最多能访问4GB的线性地址空间 但进程在访问某个线性空间之前，必须获得该线性空间的许可 因此，一个进程的地址空间是由允许该进程访问的全部线性地 址组成 内核使用线性区资源来表示线性地址空间 每个线性区由起始线性地址、长度和一些存取权限描述 陈香兰（xlanchen@ustc.edu.cn） (计算机应用教研室 Linux操作系统分析Chapter 9 Linux中的进程地址空间 @计算机学院嵌入式系统实验室@苏州研究院中国科学技术大学Fall 2014) November 4, 2014 5 / 27
与进程地址空间相关的描述符 Figure 8-2.Descriptors related to the address space of a process Linear Address Space Memory Regions mmap mmap_cache →vmstart ---→vm_end >vm next Memory Descriptor 1口t4四1是42刀00 陈香兰(x1 anchenoustc,edu,cn)(计算丸应Linux操作看统分所Chapter9 Linux中的边权： November-4,20146/23
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 与进程地址空间相关的描述符 Figure 8-2. Descriptors related to the address space of a process Linear Address Space Memory Regions Memory Descriptor mmap mmap_cache vm_next vm_end vm_start 陈香兰（xlanchen@ustc.edu.cn） (计算机应用教研室 Linux操作系统分析Chapter 9 Linux中的进程地址空间 @计算机学院嵌入式系统实验室@苏州研究院中国科学技术大学Fall 2014) November 4, 2014 6 / 27
与进程地址空间相关的描述符 ●线性区的开始和结束都必须4KB对齐 ©进程获得新线性区的一些典型情况： ●刚刚创建的新进程 。使用exec系统调用装载一个新的程序运行 。将一个文件（或部分）映射到进程地址空间中 。当用户堆栈不够用的时候，扩展堆栈对应的线性区 ●… 1口4四是42，刀00 陈香兰(x1 anchenoustc,edu,cn)(计算丸应L1nux操作看统分所Chapter9 Linux中的过权： None0er4,20146/29
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 与进程地址空间相关的描述符 线性区的开始和结束都必须4KB对齐 进程获得新线性区的一些典型情况： 刚刚创建的新进程 使用exec系统调用装载一个新的程序运行 将一个文件（或部分）映射到进程地址空间中 当用户堆栈不够用的时候，扩展堆栈对应的线性区 …… 陈香兰（xlanchen@ustc.edu.cn） (计算机应用教研室 Linux操作系统分析Chapter 9 Linux中的进程地址空间 @计算机学院嵌入式系统实验室@苏州研究院中国科学技术大学Fall 2014) November 4, 2014 6 / 27
与创建、删除线性区相关的系统调用 brk() 改变进程堆的大小 execve() Loads a new executable file,thus changing the process address space exit() Terminates the current process and destroys its address space fork() Creates a new process,and thus a new address space mmap() Creates a memory mapping for a file,thus mmap2() enlarging the process address space mremap() 扩大或缩小线性区 remap file pages( Creates a non-linear mapping for a file munmap() Destroys a memory mapping for a file,thus contracting the process address space shmat() Attaches a shared memory region shmdt() Detaches a shared memory region 1口4四是14P定刀00 陈香兰(xianchenoustc,edu,cn)(计算丸应L1nux操作系统分析Chapter9 Linux中的边权. November 4.2014 7/27
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 与创建、删除线性区相关的系统调用 brk( ) 改变进程堆的大小 execve( ) Loads a new executable file, thus changing the process address space _exit( ) Terminates the current process and destroys its address space fork( ) Creates a new process, and thus a new address space mmap( ) Creates a memory mapping for a file, thus mmap2( ) enlarging the process address space mremap( ) 扩大或缩小线性区 remap_file_pages( ) Creates a non-linear mapping for a file munmap( ) Destroys a memory mapping for a file, thus contracting the process address space shmat( ) Attaches a shared memory region shmdt( ) Detaches a shared memory region 陈香兰（xlanchen@ustc.edu.cn） (计算机应用教研室 Linux操作系统分析Chapter 9 Linux中的进程地址空间 @计算机学院嵌入式系统实验室@苏州研究院中国科学技术大学Fall 2014) November 4, 2014 7 / 27
线性区(memory area） 。比如0x08048000一0x0804C000这段线性地址空间被分配给了 一个进程，进程就可以访问这段地址空间 ●进程只能访问某个有效的memory area。进一步讲，这个area 可以被标志为只读或者不可执行(nonexecutable) ●如果进程试图访问一个有效的area之外的地址或者用不正确的 方式访问一个有效的area，内核将通过段异常(segmentation fault)杀死这个进程 1口+4四1是4P在刀0C 陈香兰(x1 anchenoustc,edu,cn)(计算丸应L1nux操作看统分析Chapter9 Linux中的达权： November 4.2014 8 /27
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 线性区（memory area） 比如0x08048000–0x0804C000这段线性地址空间被分配给了 一个进程，进程就可以访问这段地址空间 进程只能访问某个有效的memory area。进一步讲，这个area 可以被标志为只读或者不可执行(nonexecutable) 如果进程试图访问一个有效的area之外的地址或者用不正确的 方式访问一个有效的area，内核将通过段异常(segmentation fault)杀死这个进程 陈香兰（xlanchen@ustc.edu.cn） (计算机应用教研室 Linux操作系统分析Chapter 9 Linux中的进程地址空间 @计算机学院嵌入式系统实验室@苏州研究院中国科学技术大学Fall 2014) November 4, 2014 8 / 27