中国科学技术大学：《嵌入式操作系统 Embedded Operating Systems》课程教学资源（课件讲义）Linux中的进程地址空间（arm）

Linux:操作系统分析 Chapter 18 Linux中的进程地址空间(arm) 陈香兰(xlanchen@ustc.edu.cn) 计算机应用教研室©计算机学院 嵌入式系统实验室●苏州研究院 中国科学技术大学 Fa112014 January 14,2015 1口t4四是42刀00 陈香兰(x1 anchenoustc,edu,cn)(计算丸应Linux操作看统分析Chapter18 Linux中约进有 J6uary14,20151/28

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Linux操作系统分析 Chapter 18 Linux中的进程地址空间(arm) 陈香兰（xlanchen@ustc.edu.cn） 计算机应用教研室@计算机学院 嵌入式系统实验室@苏州研究院 中国科学技术大学 Fall 2014 January 14, 2015 陈香兰（xlanchen@ustc.edu.cn） (计算机应用教研室 Linux操作系统分析Chapter 18 Linux中的进程地址空间(arm) @计算机学院嵌入式系统实验室@苏州研究院中国科学技术大学Fall 2014) January 14, 2015 1 / 28

Outline 进程地址空间和线性区 ② 缺页异常 小结和作业 1口t4四是42刀00 陈香兰(x1 anchenoustc,edu,cn)(计算丸应Linux操作看统分析Chapter18 Linux中约进有 January14,20152/28

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Outline 1. 进程地址空间和线性区 .2 缺页异常 .3 小结和作业 陈香兰（xlanchen@ustc.edu.cn） (计算机应用教研室 Linux操作系统分析Chapter 18 Linux中的进程地址空间(arm) @计算机学院嵌入式系统实验室@苏州研究院中国科学技术大学Fall 2014) January 14, 2015 2 / 28

内核态和用户态分配内存的不同 ·内核中的函数以直接了当的方式获得动态内存 ·内核是操作系统中优先级最高的成分· 。内核信任自己 ·采用我们上次课介绍的页面级内存分配和小内存分配 1口4四是42刀00 陈香兰(x1 anchenoustc,edu,cn)(计算丸应Linux操作表统分析Chapter】8 Linux中约过书 J6 nuary14,20153/28

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 内核态和用户态分配内存的不同 内核中的函数以直接了当的方式获得动态内存 内核是操作系统中优先级最高的成分。 内核信任自己 采用我们上次课介绍的页面级内存分配和小内存分配 陈香兰（xlanchen@ustc.edu.cn） (计算机应用教研室 Linux操作系统分析Chapter 18 Linux中的进程地址空间(arm) @计算机学院嵌入式系统实验室@苏州研究院中国科学技术大学Fall 2014) January 14, 2015 3 / 28

内核态和用户态分配内存的不同 ●给用户态进程分配内存时 ·请求被认为是不紧迫的 ·用户进程不可信任 ·因此，当用户态进程请求动态内存时，并没有立即获得 实际的物理页框，而仅仅获得对一个新的线性地址区间 的使用权 ·这个线性地址区间会成为进程地址空间的一部分，称作 线性区(memory areas) 1口+4四是4P在刀0C 陈香兰(xianchenoustc,edu.cn)(升算丸应Linux操作表统分析Chapter】8 Linux中约过有 J6 nuary14,20153/28

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 内核态和用户态分配内存的不同 给用户态进程分配内存时 请求被认为是不紧迫的 用户进程不可信任 因此，当用户态进程请求动态内存时，并没有立即获得 实际的物理页框，而仅仅获得对一个新的线性地址区间 的使用权 这个线性地址区间会成为进程地址空间的一部分，称作 线性区(memory areas) 陈香兰（xlanchen@ustc.edu.cn） (计算机应用教研室 Linux操作系统分析Chapter 18 Linux中的进程地址空间(arm) @计算机学院嵌入式系统实验室@苏州研究院中国科学技术大学Fall 2014) January 14, 2015 3 / 28

进程地址空间和线性区 。进程最多能访问4GB的线性地址空间 ·但进程在访问某个线性空间之前，必须获得该线性空间的许可 。因此，一个进程的地址空间是由允许该进程访问的全部线性地 址组成 ·内核使用线性区资源来表示线性地址空间 ●每个线性区由起始线性地址、长度和一些存取权限描述 1口+4四是4P在刀0C 陈奇兰(x1 anchenoustc,edu,cn)(升算丸应Linux操作表统分析Chapter】8 Linux中约过有 J6 nuary14,20155/28

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 进程地址空间和线性区 进程最多能访问4GB的线性地址空间 但进程在访问某个线性空间之前，必须获得该线性空间的许可 因此，一个进程的地址空间是由允许该进程访问的全部线性地 址组成 内核使用线性区资源来表示线性地址空间 每个线性区由起始线性地址、长度和一些存取权限描述 陈香兰（xlanchen@ustc.edu.cn） (计算机应用教研室 Linux操作系统分析Chapter 18 Linux中的进程地址空间(arm) @计算机学院嵌入式系统实验室@苏州研究院中国科学技术大学Fall 2014) January 14, 2015 5 / 28

与进程地址空间相关的描述符 Figure 8-2.Descriptors related to the address space of a process Linear Address Space Memory Regions mmap mmap_cache →vmstart ---→vm_end >vm next Memory Descriptor 4口4四1是142刀00 陈香兰(xlanchenoustc,edu.cn)(计算机应Linux操作系统分新Chapter18 Linux中约过有 J6 nuary14.20156/28

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 与进程地址空间相关的描述符 Figure 8-2. Descriptors related to the address space of a process Linear Address Space Memory Regions Memory Descriptor mmap mmap_cache vm_next vm_end vm_start 陈香兰（xlanchen@ustc.edu.cn） (计算机应用教研室 Linux操作系统分析Chapter 18 Linux中的进程地址空间(arm) @计算机学院嵌入式系统实验室@苏州研究院中国科学技术大学Fall 2014) January 14, 2015 6 / 28

与进程地址空间相关的描述符 ●线性区的开始和结束都必须4KB对齐 。进程获得新线性区的一些典型情况： ●刚刚创建的新进程 。使用exec系统调用装载一个新的程序运行 。将一个文件（或部分）映射到进程地址空间中 。当用户堆栈不够用的时候，扩展堆栈对应的线性区 1口+4四是4P在刀0C 陈奇兰(xlanchenoustc,edu.cn)(升算执应Linux操作表统分析Chapter18 Linux中约过书 J6 nuary14,20156/28

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 与进程地址空间相关的描述符 线性区的开始和结束都必须4KB对齐 进程获得新线性区的一些典型情况： 刚刚创建的新进程 使用exec系统调用装载一个新的程序运行 将一个文件（或部分）映射到进程地址空间中 当用户堆栈不够用的时候，扩展堆栈对应的线性区 …… 陈香兰（xlanchen@ustc.edu.cn） (计算机应用教研室 Linux操作系统分析Chapter 18 Linux中的进程地址空间(arm) @计算机学院嵌入式系统实验室@苏州研究院中国科学技术大学Fall 2014) January 14, 2015 6 / 28

与创建、删除线性区相关的系统调用 brk() 改变进程堆的大小 execve() Loads a new executable file,thus changing the process address space exit() Terminates the current process and destroys its address space fork() Creates a new process,and thus a new address space mmap() Creates a memory mapping for a file,thus mmap2() enlarging the process address space mremap() 扩大或缩小线性区 remap file pages( Creates a non-linear mapping for a file munmap() Destroys a memory mapping for a file,thus contracting the process address space shmat() Attaches a shared memory region shmdt() Detaches a shared memory region 1口+4四是42是刀00 陈香兰(xianchenoustc,edu,cn)(计算丸应Lioux操作系统分析Chapter18 Linux中约进书 J6 nuary14,20157/28

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 与创建、删除线性区相关的系统调用 brk( ) 改变进程堆的大小 execve( ) Loads a new executable file, thus changing the process address space _exit( ) Terminates the current process and destroys its address space fork( ) Creates a new process, and thus a new address space mmap( ) Creates a memory mapping for a file, thus mmap2( ) enlarging the process address space mremap( ) 扩大或缩小线性区 remap_file_pages( ) Creates a non-linear mapping for a file munmap( ) Destroys a memory mapping for a file, thus contracting the process address space shmat( ) Attaches a shared memory region shmdt( ) Detaches a shared memory region 陈香兰（xlanchen@ustc.edu.cn） (计算机应用教研室 Linux操作系统分析Chapter 18 Linux中的进程地址空间(arm) @计算机学院嵌入式系统实验室@苏州研究院中国科学技术大学Fall 2014) January 14, 2015 7 / 28

线性区(memory area》 。比如0x08048000一0x0804C000这段线性地址空间被分配给了 一个进程，进程就可以访问这段地址空间 ●进程只能访问某个有效的memory area。进一步讲，这个area 可以被标志为只读或者不可执行(nonexecutable) ●如果进程试图访问一个有效的area之外的地址或者用不正确的 方式访问一个有效的area，内核将通过段异常(segmentation fault)杀死这个进程 1口+4四是4P在刀0C 陈香兰(xianchenoustc,edu.cn)(计算丸应Linux操作系统分折Chapter18 Linux中约过有 J6 nuary14,20158/28

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 线性区（memory area） 比如0x08048000–0x0804C000这段线性地址空间被分配给了 一个进程，进程就可以访问这段地址空间 进程只能访问某个有效的memory area。进一步讲，这个area 可以被标志为只读或者不可执行(nonexecutable) 如果进程试图访问一个有效的area之外的地址或者用不正确的 方式访问一个有效的area，内核将通过段异常(segmentation fault)杀死这个进程 陈香兰（xlanchen@ustc.edu.cn） (计算机应用教研室 Linux操作系统分析Chapter 18 Linux中的进程地址空间(arm) @计算机学院嵌入式系统实验室@苏州研究院中国科学技术大学Fall 2014) January 14, 2015 8 / 28

线性区(memory area） 。线性区中可以包含各种内容 。可执行文件代码段的内存映射，就是.text section 。数据段的内存映射，，data section ·zero page的内存映射用来包含未初始化的全局变量，，bss section 。为库函数和链接器附加的代码、数据、bss段 。文件的内存映射 。共享内存的映射 。匿名内存区域的映射，比如通过mal1oc()函数申请的内存区域 1口+4四是4P在刀0C 陈奇兰(x1 anchenoustc,edu,cn)(升算丸应Linux操作表统分新Chapter】8 Linux中约过有 J6 nuary14,20158/28

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 线性区（memory area） 线性区中可以包含各种内容 可执行文件代码段的内存映射，就是.text section 数据段的内存映射，.data section zero page的内存映射用来包含未初始化的全局变量，.bss section 为库函数和链接器附加的代码、数据、bss段 文件的内存映射 共享内存的映射 匿名内存区域的映射，比如通过malloc()函数申请的内存区域 陈香兰（xlanchen@ustc.edu.cn） (计算机应用教研室 Linux操作系统分析Chapter 18 Linux中的进程地址空间(arm) @计算机学院嵌入式系统实验室@苏州研究院中国科学技术大学Fall 2014) January 14, 2015 8 / 28