Далее мы рассмотрим адресное пространство процесса.
Глава 14
Адресное пространство процесса
В главе 11, "Управление памятью", было рассказано о том, как ядро управляет физической памятью. В дополнение к тому, что ядро должно управлять своей памятью, оно также должно, управлять и адресным пространством процессов — тем, как память видится для каждого процесса в системе. Операционная система Linux — это операционная система с виртуальной памятью (virtual memory operating system), т.е. для всех процессов выполняется виртуализация ресурсов памяти. Для каждого процесса создается иллюзия того, что он один использует всю физическую память в системе. Еще более важно, что адресное пространство процессов может быть даже значительно больше объема физической памяти. В этой главе рассказывается о том, как ядро управляет адресным пространством процесса.
Адресное пространство процесса состоит из диапазона адресов, которые выделены процессу, и, что более важно, в этом диапазоне выделяются адреса, которые процесс может так или иначе использовать. Каждому процессу выделяется "плоское" 32- или 64-битовое адресное пространство. Термин "плоское" обозначает, что адресное пространство состоит из одного диапазона адресов (например, 32-разрядное адресное пространство занимает диапазон адресов от 0 до 429496729). Некоторые операционные системы предоставляют сегментированное адресное пространство — адресное пространство состоит больше чем из одного диапазона адресов, т.е. состоит из сегментов. Современные операционные системы обычно предоставляют плоское адресное пространство. Размер адресного пространства зависит от аппаратной платформы. Обычно для каждого процесса существует свое адресное пространство. Адрес памяти в адресном пространстве одного процесса не имеет никакого отношения к такому же адресу памяти в адресном пространстве другого процесса. Тем не менее несколько процессов могут совместно использовать одно общее адресное пространство. Такие процессы называются потоками.
Значение адреса памяти — это заданное значение из диапазона адресов адресного пространства, как, например, 41021f000. Это значение идентифицирует определенный байт в 32-битовом адресном пространстве. Важной частью адресного пространства являются интервалы адресов памяти, к которым процесс имеет право доступа, как, например, 08048000–0804c000. Такие интервалы разрешенных адресов называются областями памяти (memory area). С помощью ядра процесс может динамически добавлять и удалять области памяти своего адресного пространства.
Процесс имеет право доступа только к действительным областям памяти. Более того, на область памяти могут быть установлены права только для чтения или запрет на выполнение. Если процесс обращается к адресу памяти, который не находится в действительной области памяти, или доступ к действительной области выполняется запрещенным образом, то ядро уничтожает процесс с ужасным сообщением "Segmentation Fault" (ошибка сегментации).
Области памяти могут содержать следующую нужную информацию.
• Отображение выполняемого кода из выполняемого файла в область памяти процесса, которая называется сегментом кода (text section).
• Отображение инициализированных переменных из выполняемого файла в область памяти процесса, которая называется сегментом данных (data section).
• Отображение страницы памяти, заполненной нулями, в область памяти процесса, которая содержит неинициализированные глобальные переменные и называется сегментом bss[79] (bss section). Нулевая страница памяти (zero page, страница памяти, заполненная нулями) — это страница памяти, которая полностью заполнена нулевыми значениями и используется, например, для указанной выше цели.
• Отображение страницы памяти, заполненной нулями, в память процесса, которая используется в качестве стека процесса пространства пользователя (не нужно путать со стеком процесса в пространстве ядра, который является отдельной структурой данных и управляется и используется ядром).
• Дополнительные сегменты кода, данных и BSS каждой совместно используемой библиотеки, таких как библиотека libc и динамический компоновщик, которые загружаются в адресное пространство процесса.
• Все файлы, содержимое которых отображено в память.
• Все области совместно используемой памяти.
• Все анонимные отображения в память, как, например, связанные с функцией malloc()[80].
Каждое действительное значение адреса памяти в адресном пространстве процесса принадлежит только и только одной области памяти (области памяти не перекрываются). Как будет показано, для каждого отдельного участка памяти в выполняющемся процессе существует своя область: стек, объектный код, глобальные переменные, отображенный в память файл и т.д.
Дескриптор памяти
Ядро представляет адресное пространство процесса в виде структуры данных, которая называется дескриптором памяти. Эта структура содержит всю информацию, которая относится к адресному пространству процесса. Дескриптор памяти представляется с помощью структуры struct mm_struct, которая определена в файле <linux/sched.h>[81].
Рассмотрим эту структуру с комментариями, поясняющими назначение каждого поля.
struct mm_struct {
struct vm_area_struct *mmap; /* список областей памяти */
struct rb_root mm_rb; /* красно-черное дерево
областей памяти */
struct vm_area_struct *mmap_cache; /* последняя использованная
область памяти */
unsigned long free_area_cache; /* первый незанятый участок
адресного пространства */
pgd_t *pgd; /* глобальный каталог страниц */
atomic_t mm_users; /* счетчик пользователей адресного
пространства */
atomic_t mm_count; /* основной счетчик использования */
int map_count; /* количество областей памяти */
struct rw_semaphore mmap_sem; /* семафор для областей памяти */
spinlock_t page_table_lock; /* спин-блокировка
таблиц страниц */
struct list_head mmlist; /* список всех структур mm_struct */
unsigned long start_code; /* начальный адрес сегмента кода */
unsigned long end code; /* конечный адрес сегмента кода */
unsigned long start_data; /* начальный адрес сегмента данных */
unsigned long end_data; /* конечный адрес сегмента данных */
unsigned long start_brk; /* начальный адрес сегмента "кучи" */
79
Термин "BSS" сложился исторически и является достаточно старым. Он означает
80
В более новых версиях библиотеки glibc функция malloc() реализована через системный вызов mmap(), а не через вызов brk().
81
Между дескриптором процесса, дескриптором памяти и соответствующими функциями существует тесная связь. Поэтому структура struct mm_struct и определена в заголовочном файле sched.h.