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内核如何管理内存
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在学习了进程的 [虚拟地址布局][1] 之后，让我们回到内核，来学习它管理用户内存的机制。这里再次使用 Gonzo：
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Linux 进程在内核中是作为进程描述符 [task_struct][2] （LCTT 译注：它是在 Linux 中描述进程完整信息的一种数据结构）的实例来实现的。在 task_struct 中的 [mm][3] 域指向到**内存描述符**，[mm_struct][4] 是一个程序在内存中的执行摘要。如上图所示，它保存了起始和结束内存段，进程使用的物理内存页面的 [数量][5]（RSS <ruby>常驻内存大小<rt>Resident Set Size</rt></ruby> ）、虚拟地址空间使用的 [总数量][6]、以及其它片断。 在内存描述符中，我们可以获悉它有两种管理内存的方式：**虚拟内存区域**集和**页面表**。Gonzo 的内存区域如下所示：
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每个虚拟内存区域（VMA）是一个连续的虚拟地址范围；这些区域绝对不会重叠。一个 [vm_area_struct][7] 的实例完整地描述了一个内存区域，包括它的起始和结束地址，[flags][8] 决定了访问权限和行为，并且 [vm_file][9] 域指定了映射到这个区域的文件（如果有的话）。（除了内存映射段的例外情况之外，）一个 VMA 是不能**匿名**映射文件的。上面的每个内存段（比如，堆、栈）都对应一个单个的 VMA。虽然它通常都使用在 x86 的机器上，但它并不是必需的。VMA 也不关心它们在哪个段中。
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一个程序的 VMA 在内存描述符中是作为 [mmap][10] 域的一个链接列表保存的，以起始虚拟地址为序进行排列，并且在 [mm_rb][12] 域中作为一个 [红黑树][11] 的根。红黑树允许内核通过给定的虚拟地址去快速搜索内存区域。在你读取文件 `/proc/pid_of_process/maps` 时，内核只是简单地读取每个进程的 VMA 的链接列表并[显示它们][13]。
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在 Windows 中，[EPROCESS][14] 块大致类似于一个 task_struct 和 mm_struct 的结合。在 Windows 中模拟一个 VMA 的是虚拟地址描述符，或称为 [VAD][15]；它保存在一个 [AVL 树][16] 中。你知道关于 Windows 和 Linux 之间最有趣的事情是什么吗？其实它们只有一点小差别。
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4GB 虚拟地址空间被分配到**页面**中。在 32 位模式中的 x86 处理器中支持 4KB、2MB、以及 4MB 大小的页面。Linux 和 Windows 都使用大小为 4KB 的页面去映射用户的一部分虚拟地址空间。字节 0-4095 在页面 0 中，字节 4096-8191 在页面 1 中，依次类推。VMA 的大小 _必须是页面大小的倍数_ 。下图是使用 4KB 大小页面的总数量为 3GB 的用户空间：
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处理器通过查看**页面表**去转换一个虚拟内存地址到一个真实的物理内存地址。每个进程都有它自己的一组页面表；每当发生进程切换时，用户空间的页面表也同时切换。Linux 在内存描述符的 [pgd][17] 域中保存了一个指向进程的页面表的指针。对于每个虚拟页面，页面表中都有一个相应的**页面表条目**（PTE），在常规的 x86 页面表中，它是一个简单的如下所示的大小为 4 字节的记录：
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Linux 通过函数去 [读取][18] 和 [设置][19] PTE 条目中的每个标志位。标志位 P 告诉处理器这个虚拟页面是否**在**物理内存中。如果该位被清除（设置为 0），访问这个页面将触发一个页面故障。请记住，当这个标志位为 0 时，内核可以在剩余的域上**做任何想做的事**。R/W 标志位是读/写标志；如果被清除，这个页面将变成只读的。U/S 标志位表示用户/超级用户；如果被清除，这个页面将仅被内核访问。这些标志都是用于实现我们在前面看到的只读内存和内核空间保护。
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标志位 D 和 A 用于标识页面是否是“**脏的**”或者是已**被访问过**。一个脏页面表示已经被写入，而一个被访问过的页面则表示有一个写入或者读取发生过。这两个标志位都是粘滞位：处理器只能设置它们，而清除则是由内核来完成的。最终，PTE 保存了这个页面相应的起始物理地址，它们按 4KB 进行整齐排列。这个看起来不起眼的域是一些痛苦的根源，因为它限制了物理内存最大为 [4 GB][20]。其它的 PTE 域留到下次再讲，因为它是涉及了物理地址扩展的知识。
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由于在一个虚拟页面上的所有字节都共享一个 U/S 和 R/W 标志位，所以内存保护的最小单元是一个虚拟页面。但是，同一个物理内存可能被映射到不同的虚拟页面，这样就有可能会出现相同的物理内存出现不同的保护标志位的情况。请注意，在 PTE 中是看不到运行权限的。这就是为什么经典的 x86 页面上允许代码在栈上被执行的原因，这样会很容易导致挖掘出栈缓冲溢出漏洞（可能会通过使用 [return-to-libc][21] 和其它技术来找出非可执行栈）。由于 PTE 缺少禁止运行标志位说明了一个更广泛的事实：在 VMA 中的权限标志位有可能或可能不完全转换为硬件保护。内核只能做它能做到的，但是，最终的架构限制了它能做的事情。
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虚拟内存不保存任何东西，它只是简单地 _映射_ 一个程序的地址空间到底层的物理内存上。物理内存被当作一个称之为**物理地址空间**的巨大块而由处理器访问。虽然内存的操作[涉及到某些][22]总线，我们在这里先忽略它，并假设物理地址范围从 0 到可用的最大值按字节递增。物理地址空间被内核进一步分解为**页面帧**。处理器并不会关心帧的具体情况，这一点对内核也是至关重要的，因为，**页面帧是物理内存管理的最小单元**。Linux 和 Windows 在 32 位模式下都使用 4KB 大小的页面帧；下图是一个有 2 GB 内存的机器的例子：
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在 Linux 上每个页面帧是被一个 [描述符][23] 和 [几个标志][24] 来跟踪的。通过这些描述符和标志，实现了对机器上整个物理内存的跟踪；每个页面帧的具体状态是公开的。物理内存是通过使用 [Buddy 内存分配][25] （LCTT 译注：一种内存分配算法）技术来管理的，因此，如果一个页面帧可以通过 Buddy 系统分配，那么它是**未分配的**（free）。一个被分配的页面帧可以是**匿名的**、持有程序数据的、或者它可能处于页面缓存中、持有数据保存在一个文件或者块设备中。还有其它的异形页面帧，但是这些异形页面帧现在已经不怎么使用了。Windows 有一个类似的页面帧号（Page Frame Number (PFN)）数据库去跟踪物理内存。
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我们把虚拟内存区域（VMA）、页面表条目（PTE），以及页面帧放在一起来理解它们是如何工作的。下面是一个用户堆的示例：
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蓝色的矩形框表示在 VMA 范围内的页面，而箭头表示页面表条目映射页面到页面帧。一些缺少箭头的虚拟页面，表示它们对应的 PTE 的当前标志位被清除（置为 0）。这可能是因为这个页面从来没有被使用过，或者是它的内容已经被交换出去了。在这两种情况下，即便这些页面在 VMA 中，访问它们也将导致产生一个页面故障。对于这种 VMA 和页面表的不一致的情况，看上去似乎很奇怪，但是这种情况却经常发生。
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一个 VMA 像一个在你的程序和内核之间的合约。你请求它做一些事情（分配内存、文件映射、等等），内核会回应“收到”，然后去创建或者更新相应的 VMA。 但是，它 _并不立刻_ 去“兑现”对你的承诺，而是它会等待到发生一个页面故障时才去 _真正_ 做这个工作。内核是个“懒惰的家伙”、“不诚实的人渣”；这就是虚拟内存的基本原理。它适用于大多数的情况，有一些类似情况和有一些意外的情况，但是，它是规则是，VMA 记录 _约定的_ 内容，而 PTE 才反映这个“懒惰的内核” _真正做了什么_。通过这两种数据结构共同来管理程序的内存；它们共同来完成解决页面故障、释放内存、从内存中交换出数据、等等。下图是内存分配的一个简单案例：
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当程序通过 [brk()][26] 系统调用来请求一些内存时，内核只是简单地 [更新][27] 堆的 VMA 并给程序回复“已搞定”。而在这个时候并没有真正地分配页面帧，并且新的页面也没有映射到物理内存上。一旦程序尝试去访问这个页面时，处理器将发生页面故障，然后调用 [do_page_fault()][28]。这个函数将使用 [find_vma()][30] 去 [搜索][29] 发生页面故障的 VMA。如果找到了，然后在 VMA 上进行权限检查以防范恶意访问（读取或者写入）。如果没有合适的 VMA，也没有所尝试访问的内存的“合约”，将会给进程返回段故障。
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当[找到][31]了一个合适的 VMA，内核必须通过查找 PTE 的内容和 VMA 的类型去[处理][32]故障。在我们的案例中，PTE 显示这个页面是 [不存在的][33]。事实上，我们的 PTE 是全部空白的（全部都是 0），在 Linux 中这表示虚拟内存还没有被映射。由于这是匿名 VMA，我们有一个完全的 RAM 事务，它必须被 [do_anonymous_page()][34] 来处理，它分配页面帧，并且用一个 PTE 去映射故障虚拟页面到一个新分配的帧。
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有时候，事情可能会有所不同。例如，对于被交换出内存的页面的 PTE，在当前（Present）标志位上是 0，但它并不是空白的。而是在交换位置仍有页面内容，它必须从磁盘上读取并且通过 [do_swap_page()][35] 来加载到一个被称为 [major fault][36] 的页面帧上。
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这是我们通过探查内核的用户内存管理得出的前半部分的结论。在下一篇文章中，我们通过将文件加载到内存中，来构建一个完整的内存框架图，以及对性能的影响。
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via: http://duartes.org/gustavo/blog/post/how-the-kernel-manages-your-memory/
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作者：[Gustavo Duarte][a]
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译者：[qhwdw](https://github.com/qhwdw)
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校对：[wxy](https://github.com/wxy)
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本文由 [LCTT](https://github.com/LCTT/TranslateProject) 原创编译，[Linux中国](https://linux.cn/) 荣誉推出
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[a]:http://duartes.org/gustavo/blog/about/
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[1]:https://linux.cn/article-9255-1.html
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[2]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28.1/include/linux/sched.h#L1075
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[3]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28.1/include/linux/sched.h#L1129
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[4]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28.1/include/linux/mm_types.h#L173
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[5]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28.1/include/linux/mm_types.h#L197
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[6]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28.1/include/linux/mm_types.h#L206
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[7]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28.1/include/linux/mm_types.h#L99
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[8]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28/include/linux/mm.h#L76
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[9]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28.1/include/linux/mm_types.h#L150
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[10]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28.1/include/linux/mm_types.h#L174
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[11]:http://en.wikipedia.org/wiki/Red_black_tree
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[12]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28.1/include/linux/mm_types.h#L175
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[13]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28.1/fs/proc/task_mmu.c#L201
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[14]:http://www.nirsoft.net/kernel_struct/vista/EPROCESS.html
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[15]:http://www.nirsoft.net/kernel_struct/vista/MMVAD.html
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[16]:http://en.wikipedia.org/wiki/AVL_tree
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[17]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28.1/include/linux/mm_types.h#L185
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[18]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28.1/arch/x86/include/asm/pgtable.h#L173
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[19]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28.1/arch/x86/include/asm/pgtable.h#L230
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[20]:http://www.google.com/search?hl=en&amp;amp;amp;amp;q=2^20+*+2^12+bytes+in+GB
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[21]:http://en.wikipedia.org/wiki/Return-to-libc_attack
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[22]:http://duartes.org/gustavo/blog/post/getting-physical-with-memory
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[23]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28/include/linux/mm_types.h#L32
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[24]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28/include/linux/page-flags.h#L14
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[25]:http://en.wikipedia.org/wiki/Buddy_memory_allocation
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[26]:http://www.kernel.org/doc/man-pages/online/pages/man2/brk.2.html
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[27]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28.1/mm/mmap.c#L2050
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[28]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28/arch/x86/mm/fault.c#L583
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[29]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28/arch/x86/mm/fault.c#L692
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[30]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28/mm/mmap.c#L1466
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[31]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28/arch/x86/mm/fault.c#L711
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[32]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28/mm/memory.c#L2653
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[33]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28/mm/memory.c#L2674
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[34]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28/mm/memory.c#L2681
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[35]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28/mm/memory.c#L2280
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[36]:http://lxr.linux.no/linux+v2.6.28/mm/memory.c#L2316
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