完全剖析 - Linux虚拟内存空间管理

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在 《[漫画解说内存映射] 》一文中介绍过 虚拟内存 与 物理内存 映射的原理与过程，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。

今天，我们来介绍一下 Linux 对虚拟内存空间管理的细节。

段

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。

我们先来看看 Linux 进程虚拟内存空间的布局图，如图 1 所示：

上图展示了 Linux 进程的虚拟内存空间布局情况，我们只关注 用户空间 的布局。

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：

虚拟内存区

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？

答案就是：vm_area_struct。

内核通过 vm_area_struct 结构（虚拟内存区）来管理各个 段，其定义如下：

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作用：

我们通过图 2 来展示内核是怎么通过 vm_area_struct 结构来管理进程中的所有 段：

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。

加载程序镜像

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？

在介绍进程虚拟内存区建立的过程前，我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，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：

一般一个 ELF 文件由以下三部分组成：

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：

 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;

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。

我们可以通过 readelf -S file 命令来查看 ELF 文件的段（节）信息，如下图所示：

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，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：

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。

由于 load_elf_binary 函数的实现比较复杂，所以我们分段来解说：

（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. 是否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，然后检查 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, 并且保存到 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以下几个工作：

（3）加载段到虚拟内存

 1   // 遍历程序头表所有的段
 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)  // 判断段是否需要加载
 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作是：

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：

1elf_map
2└→ do_mmap
3   └→ do_mmap_pgoff
4      └→ mmap_region

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 结构连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，精简后的工作主要有：

通过上面的过程，内核就把应用程序的所有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，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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