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schedul 第四章 Linux存储管理Linux操作系统采用了请求式分页虚拟存储管理方法。 系统为每个进程提供了4GB的虚拟内存空间。各个进程的虚拟内存彼此独立。
§4.1 进程虚存空间的管理
一．内核空间和用户空间
● 进程运行时能访问的存储空间只是它的虚拟内存空间。
对当前该进程而言只有属于它的虚拟内存是可见的。
● 在进程的虚拟内存包含着进程本身的程序代码和数据。
● 进程在运行中还必须得到操作系统的支持。进程的虚拟内存中还包含着操作系统内核。
● Linux把进程的虚拟内存分成两部分，内核区和用户区。
● 操作系统内核的代码和数据等被映射到内核区。
● 进程的可执行映像（代码和数据）映射到虚拟内存的用户区。
● 进程虚拟内存的内核区的访问权限设置为0级，用户区为3级。
● 内核访问虚存的权限为0级，而进程的访问权限为3级
Linux运行在x86时，进程的虚拟内存为4GB。
进程虚存空间的划分在系统初始化时由GDT确定，
它定义在/arch/i386/kernel/head.S文件中：
.quad 0x0000000000000000 /* NULL 描述符 */
.quad 0x0000000000000000 /* 未使用*/
.quad 0xc0c39a000000ffff /* 内核代码段1GB在0xc0000000 */
.quad 0xc0c392000000ffff /* 内核数据段1GB在0xc0000000 */
.quad 0x00cbfa000000ffff /* 用户代码段3GB在0x00000000 */
.quad 0x00cbf2000000ffff /* 用户数据段3GB在0x00000000 */
.quad 0x0000000000000000 /* 未使用 */
.quad 0x0000000000000000 /* 未使用 */
.fill 2*NR_TASKS,8,0 /* 各个进程LDT描述符和TSS描述符的空间 */
Linux的存储管理主要是管理进程虚拟内存的用户区。
进程虚拟内存的用户区分成代码段、数据段、堆栈
以及进程运行的环境变量、参数传递区域等。
每一个进程，用一个mm_struct结构体来定义它的虚存用户区。
mm_struct结构体首地址在任务结构体task_struct成员项mm中：
struct mm_struct *mm；
mm_struct结构定义在/include/linux/schedul.h中。
pgd 为指向进程页目录表的指针。
context 是进程上下文的地址。
start_code, end_code, start_data, end_data
分别为代码段、数据段的首地址和终止地址。
start_stack 是进程堆栈的首地址。
arg_start, arg_end, env_start, env_end
分别为参数区、环境变量区的首地址和终止地址。
二．进程的虚存区域
一个虚存区域是虚存空间中一个连续的区域，在这个区域中的信息具有相同的操作和访问特性。每个虚拟区域用一个vm_area_struct结构体进行描述.它定义在/include/linux/mm.h中：
（1）vm_mm指针指向进程的mm_struct结构体。
（2）vm_start和vm_end 虚拟区域的开始和终止地址。
（3）vm_flags指出了虚存区域的操作特性：
VM_READ 虚存区域允许读取
VM_WRITE 虚存区域允许写入
VM_EXEC 虚存区域允许执行
VM_SHARED 虚存区域允许多个进程共享
VM_GROWSDOWN 虚存区域可以向下延伸
VM_GROWSUP 虚存区域可以向上延伸
VM_SHM 虚存区域是共享存储器的一部分
VM_LOCKED 虚存区域可以加锁
VM_STACK_FLAGS 虚存区域做为堆栈使用
（4）vm_page_prot 虚存区域的页面的保护特性。
（5）若虚存区域映射的是磁盘文件或设备文件的的内容，则vm_inode指向这个文件的inode结构体，否则vm_inode为NULL。
（6）vm_offset是该区域的内容相对于文件起始位置的偏移量，或相对于共享内存首址的偏移量。
（7）所有vm_area_struct结构体链接成一个单向链表，vm_next指向下一个vm_area_struct结构体。链表的首地址由mm_struct中成员项mmap指出。
（8）vm_ops是指向vm_operations_struct结构体的指针。该结构体中包含着指向各种操作的函数的指针。
（9）所有vm_area_struct结构体组成一个AVL树。
(Adelson-Velskii and Landis)
AVL树是一种具有平衡结构的二叉树。
vm_avl_left 左指针指向相邻的低地址虚存区域，
vm_avl_right右指针指向相邻的高地址虚存区域
mmap_avl 表示进程AVL树的根，
vm_avl_hight表示AVL树的高度。
（10）vm_next_share和vm_prev_share，把有关的vm_area_struct
结合成一个共享内存时使用的双向链表。
§4.2 虚存空间的映射和虚存区域的建立
一．虚拟空间的地址映射
在多进程操作系统中，同时运行多个用户的程序，系统分配给用户的物理地址空间放不下代码和数据等。为了解决这个矛盾而出现了虚拟存储技术.在虚拟存储技术中，用户的代码和数据（可执行映像）等并不是完整地装入物理内存，而是全部映射到虚拟内存空间。
在进程需要访问内存时，在虚拟内存中“找到”要访问的程序代码和数据等。
系统再把虚拟空间的地址转换成物理内存的物理地址。
二．虚存区域的建立
Linux使用do_mmap()函数完成可执行映像向虚存区域的映射，
由它建立有关的虚存区域
do_mmap()函数定义在/mm/mmap.c文件中
addr虚存区域在虚拟内存空间的开始地址，
len是这个虚存区域的长度。
file是指向该文件结构体的指针，
off是相对于文件起始位置的偏移量。
若file为NULL，称为匿名映射(anonymous mapping)。
prot指定了虚存区域的访问特性：
PROT_READ 0x1 对虚存区域允许读取
PROT_WEITE 0x2 对虚存区域允许写入
PROT_EXEC 0x4 虚存区域（代码）允许执行
PROT_NONE 0x0 不允许访问该虚存区域
flag指定了虚存区域的属性：
MAP_FIXED 指定虚存区域固定在addr的位置上。
MAP_SHARED 指定对虚存区域的操作是作用在共享页面上
MAP_PRIVATE指定了对虚存区域的写入操作将引起页面拷贝。
§4.3 Linux的分页式存储管理
一． Linux的三级分页结构
● 页表是从线性地址向物理地址转换中不可缺少的数据结构，而且它使用的频率较高。页表必须存放在物理存储器中。
● 虚存空间有4GB，按4KB页面划分页表可以有1M页。
若采用一级页表机制，页表有1M个表项，每个表项4字节，
这个页面就要占用4MB的内存空间。
● 由于系统中每个进程都有自己的页表，如果每个页表占用4MB，
对于多个进程而言就要占去大量的物理内存，这是不现实的。
● 在目前用户的进程不可能需要使用4GB这么庞大的虚存空间，
若使用1M个表项的一级页表，势必造成物理内存极大的浪费。
● 为此，Linux采用了三级页表结构，以利于节省物理内存。
● 三级分页管理把虚拟地址分成四个位段：。