[Linux内核完全剖析]第五章Linux内核体系结构5.1-5.3总结 Linux内存空间分配

Linux内核是宏/单内核，分5个模块：进程调度模块、内存管理模块、文件系统模块、进程间通讯模块、网络接口模块。

三种地址概念：
虚拟地址(Virtual Address)、逻辑地址(Logical Address)：是程序产生的。虚拟地址由段选择符和段内偏移两部分组成，段内偏移又称逻辑地址。需根据GDT和LDT进行分段变换才能进行下一步地址处理。x86可以索引2^14个段选择符，每个段最长2^32B，最大虚拟地址空间为2^46(64T)B。

线性地址(Linear Address)：是虚拟地址到物理地址转化的中间层，是处理器可寻址的内存空间中的地址，由逻辑地址加上对应段基址得到。如未开启分页机制，就等于物理地址。x86中线性地址空间为4GB。

物理地址(Physical Address)：是在CPU地址线和其他外部总线上的地址信号。

Linux0.11内核，限制了GDT最大表项为256个，其中2项空闲(NULL/syscall)，2项系统使用(Kernel Code/Data)，每个进程使用两项(LDT,TTS)。但系统定义了最大进程数是64个，每个进程逻辑地址范围是64M，在线性地址空间中的起始位置是64MB*进程号，全部进程使用的地址空间是64*64MB=4GB。每个进程的代码段和数据段是完全重叠的。其中进程0和进程1比较特殊，分别占用了线性地址0和64M开头的640K地址，进程0还处于内核区。进程2开始就占用128MB开始的64MB空间，依次类推。

Linux0.11内核中，head.s把内核代码段和数据段都初始化为从线性地址0开头的16MB空间，包括内核所有的代码、内核段表（GDT、IDT、TTS）、页目录表和内核二级页表、内核局部数据以及临时栈（将被用于进程0的用户栈）。其中内核使用了4个二级页表和4项页目录，把0-16MB的线性地址映射到物理空间，而且其物理空间等于线性空间。但如果物理内存不满16MB，那么线性地址就不会映射到超过物理大小的内存上去。

进程0：系统中第一个启动的进程，它的代码段和数据段均在内核中，长度为640K，占用线性和物理地址空间中中的0——640K-1的范围。使用的是内核中的页目录和页表（内核页表是用户可读写的），对应的TSS0也是事先设置好的，位于sched.c文件中，长度为104字节。

进程1：（init进程）的代码也在内核代码区中，但当使用fork()来创建它的时候申请了一页内存作为二级页表，并复制了父进程（进程0）的页目录项和页表。它占用了64M——128M-1（实际使用为64M——64M+640K-1的范围）的线性空间，并映射到0——640K-1的物理空间，跟进程0使用的范围一样，长度也是640K。系统还为init进程申请一页内存放置任务数据结构（包括TSS）和init进程的内核态栈。init进程的用户态栈共享了进程0的用户态堆栈。但在init进程执行时，其用户态堆栈对应页表项被设置位只读，这是系统会分配新的页面给其使用。

进程N：使用fork()从init进程产生其他进程时，其过程和从进程0 fork()出init进程基本一致（只有对应的线性空间不同）。然后调用execve()开始加载进程映像的时候，是释放掉从任务1复制的页目录和页表表项以及对应的内存页面，然后重新设置相关页目录和页表。分配给的内存并不是立即生效，而是在需要访问的时候引发缺页异常，系统才会真正的分配物理内存给进程，这被称为Load on demand策略。

用户申请内存：使用库函数malloc()申请内存时，malloc()函数内部会为用户维护一个内存使用表，由库函数自定义策略决定什么时候去系统申请内存，或者释放内存，以及申请和释放的数量。通常来讲如果用户请求分配内存，库函数先看自己库存的内存是否够用，不够用再去向系统申请一块恰当大小的内存（如页的整数倍）；用户释放内存的时候库函数也不会立刻将其释放给操作系统，而是缓存起来，等待用户下次的分配请求，直到进程退出，才会把所有内存交还给系统。从系统中申请的内存同样遵守Load on demand策略，只有在用户去实际访问这块内存的时候，系统才会把物理内存映射到指定位置。