虚拟空间管理系统icp代备案管理系统

虚拟内存与物理内存进行映射的过程被称为内存映射。内存映射是硬件（内存管理单元）级别的功能，必须按照硬件的规范设置好内存映射的关系，进程才能正常运行。

但内存映射并不能区分内存的用途，比如我们想知道虚拟内存区间0~2MB是用作存储数据还是存储指令，这就很难从内存映射中获取到相关信息。所以，Linux根据功能上的差异，来对虚拟内存空间进行管理。

之前我们说过，在32位的操作系统中，每个进程都拥有4GB的虚拟内存空间。Linux根据功能上的差异，把整个虚拟内存空间划分为多个不同区间，称为段。

从上图可以看出，进程的用户空间大小为3GB。Linux按照功能上的差异，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作用：

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intglobal=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intglobal;定义的全局变量。

从上面的介绍可知，Linux按照功能上的差异，把虚拟内存空间划分为多个段。那么在内核中，是通过什么结构来管理这些段的呢？

vm_mm：指向进程的内存管理对象，每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_next：Linux会通过链表把进程的所有虚拟内存区连接起来，这个字段用于指向下一个虚拟内存区。

vm_rb：某些场景中需要通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作为key，把进程所有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：每个虚拟内存区都可以自定义一套操作接口，通过操作接口，能够让虚拟内存区实现一些特定的功能，比如：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作接口集，一般在创建虚拟内存区时指定。

从上图可以看出，内核通过一个链表和一棵红黑树来管理进程中所有的段。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。

前面我们介绍了Linux会把虚拟内存地址划分为多个段，并且使用vm_area_struct结构来管理这些段。那么，这些虚拟内存区是怎么建立起来的呢？

ELF全称ExecutableandLinkableFormat，即可执行可链接文件格式。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。让我们来看一下ELF文件格式由哪些结构组成：

ELF头（ELFheader）：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（Programheadertable）：列举了所有有效的段（segments）和他们的属性，程序头表需要加载器将文件中的段加载到虚拟内存段中；

当内核加载一个应用程序时，就是通过读取ELF文件的信息，然后把文件中所有的段加载到虚拟内存的段中。ELF文件通过程序头表来描述应用程序中所有的段，表中的每一个项都描述一个段的信息。我们先来看看程序头表项的结构定义：

所以，程序加载器可以通过ELF头中获取到程序头表的偏移量，然后通过程序头表的偏移量读取到程序头表的数据，再通过程序头表来获取到所有段的信息。

要加载一个程序，需要调用execve系统调用来完成。我们来看看execve系统调用的调用栈：

从上面的调用者可以看出，execve系统调用最终会调用load_elf_binary函数来加载程序的ELF文件。

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，程序头表的偏移量可以通过ELF头的e_phoff字段获取。

所以，把段加载到虚拟内存主要通过elf_map函数完成。我们来看看elf_map函数的调用栈：

从上面的调用者可以看出，elf_map函数最终会调用mmap_region来完成加载段到虚拟内存。我们分析以下mmap_region函数的实现：

调用kmem_cache_zalloc函数申请一个vm_area_struct（虚拟内存区）结构。

调用vma_link函数把vm_area_struct结构连接到虚拟内存区链表和红黑树中。

本文主要介绍了Linux内核是怎么加载应用程序，并且在虚拟内存中建立各个段的布局。本文主要关注的是虚拟内存布局的建立过程，但加载应用程序的很多细节都忽略了（如怎么设置进程入口），有兴趣可以自行查阅相关的资料和书籍。

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