对于一个进程而言，他的虚拟内存空间会分为内核内存空间，还有用户内存空间

  • 用户空间：Text Segment（代码）、Data Segment（静态常量） 和 BSS Segment（未初始化静态变量）、堆（由程序员分配的内存）、函数栈
  • 内核空间：内核栈、同样有 Text Segment、Data Segment 和 BSS Segment

一个内存管理系统至少应该做三件事情：

  • 第一，虚拟内存空间的管理，每个进程看到的是独立的、互不干扰的虚拟地址空间；
  • 第二，物理内存的管理，物理内存地址只有内存管理模块能够使用；
  • 第三，内存映射，需要将虚拟内存和物理内存映射、关联起来。

独享内存空间

为什么需要？很显然，如果不隔离，就会不安全、就会泄密，因而，我们说每个进程应该有自己的内存空间。内存空间都是独立的、相互隔离的。对于每个进程来讲，看起来应该都是独占的。

当程序要访问虚拟地址的时候，由内核的数据结构进行转换，转换成不同的物理地址，这样不同的进程运行的时候，写入的是不同的物理地址，这样就不会冲突了。

规划虚拟地址空间

这样一个程序。

  1. #include <stdio.h>
  2. #include <stdlib.h>
  3. int max_length = 128;
  4. char * generate(int length) {
  5.     int i;
  6.     char * buffer = (char*) malloc (length+1);
  7.     if (buffer == NULL)
  8.     return NULL;
  9.     for (i=0; i<length; i++) {
  10.         buffer[i]=rand()%26+'a';
  11.     }
  12.     buffer[length]='\0';
  13.     return buffer;
  14. }
  15. int main(int argc, char *argv[]) {
  16.     int num;
  17.     char * buffer;
  18.     printf ("Input the string length : ");
  19.     scanf ("%d", &num);
  20.     if(num > max_length) {
  21.         num = max_length;
  22.     }
  23.     buffer = generate(num);
  24.     printf ("Random string is: %s\n",buffer);
  25.     free (buffer);
  26.     return 0;
  27. }

这个程序比较简单，就是根据用户输入的整数来生成字符串，最长是 128。由于字符串的长度不是固定的，因而不能提前知道，需要动态地分配内存，使用 malloc 函数。当然用完了需要释放内存，这就要使用 free 函数。
我们来总结一下，这个简单的程序使用哪些内存的几种方式：

  • 代码需要放在内存里面；
  • 全局变量，例如 max_length；
  • 常量字符串”Input the string length : “；
  • 函数栈，例如局部变量 num 是作为参数传给 generate 函数的，这里面涉及了函数调用，局部变量，函数参数等都是保存在函数栈上面的；
  • 堆，malloc 分配的内存在堆里面；
  • 这里面涉及对 glibc 的调用，所以 glibc 的代码是以 so 文件的形式存在的，也需要放在内存里面。

这就完了吗？还没有呢，别忘了 malloc 会调用系统调用，进入内核，所以这个程序一旦运行起来，内核部分还需要分配内存：

  • 内核的代码要在内存里面；
  • 内核中也有全局变量；
  • 每个进程都要有一个 task_struct；
  • 每个进程还有一个内核栈；
  • 在内核里面也有动态分配的内存；
  • 虚拟地址到物理地址的映射表放在哪里？

首先，这么大的虚拟空间一切二，一部分用来放内核的东西，称为内核空间，一部分用来放进程的东西，称为用户空间。

用户空间在下，在低地址, 从最低位开始排起，先是Text Segment、Data Segment 和 BSS Segment。Text Segment 是存放二进制可执行代码的位置，Data Segment 存放静态常量，BSS Segment 存放未初始化的静态变量。是不是觉得这几个名字很熟悉？没错，咱们前面讲 ELF 格式的时候提到过，在二进制执行文件里面，就有这三个部分。这里就是把二进制执行文件的三个部分加载到内存里面。

接下来是堆（Heap）段。堆是往高地址增长的，是用来动态分配内存的区域，malloc 就是在这里面分配的。
接下来的区域是Memory Mapping Segment。这块地址可以用来把文件映射进内存用的，如果二进制的执行文件依赖于某个动态链接库，就是在这个区域里面将 so 文件映射到了内存中。

再下面就是栈（Stack）地址段。主线程的函数调用的函数栈就是用这里的。

如果普通进程还想进一步访问内核空间，是没办法的，只能眼巴巴地看着。如果需要进行更高权限的工作，就需要调用系统调用，进入内核。

但是到了内核里面，无论是从哪个进程进来的，看到的都是同一个内核空间，看到的都是同一个进程列表。虽然内核栈是各用个的，但是如果想知道的话，还是能够知道每个进程的内核栈在哪里的。所以，如果要访问一些公共的数据结构，需要进行锁保护。

内核的代码访问内核的数据结构，大部分的情况下都是使用虚拟地址的，虽然内核代码权限很大，但是能够使用的虚拟地址范围也只能在内核空间，也即内核代码访问内核数据结构。

内核里面也会有内核的代码，同样有 Text Segment、Data Segment 和 BSS Segment，别忘了咱们讲内核启动的时候，内核代码也是 ELF 格式的。