Linux程序虛擬儲存

先回憶一下ELF檔案的組織結構，可以看這篇文章：Linux 連結與ELF檔案。程式執行後進程地址空間佈局則和作業系統密切相關。在將應用程式載入到記憶體空間執行時，作業系統負責程式碼段與資料段的載入，並在記憶體中為這些段分配空間。Linux的程序地址空間大致如下：

Linux核心虛擬儲存

核心虛擬儲存器包含了核心的程式碼和資料結構。核心虛擬儲存器的一些區域被對映到所有程序共享的記憶體頁面，比如每個程序共享核心的程式碼和全域性資料結構。Linux也將一組連續的虛擬頁面（大小等於同種DRAM的總量）對映到相應的一組連續的物理頁面。這使得核心可以遍歷的訪問物理儲存的任何特定位置。核心虛擬地址儲存器的其他區域包含了每個程序都不同的資料，如頁表、核心在程序上下文執行時所使用的棧，以及記錄虛擬地址空間當前組織的各種資料結構。

Linux缺頁異常處理

當MMU翻譯某個虛擬地址A觸發缺頁時，此異常會導致控制轉移到核心缺頁處理程式：

1. 虛擬地址不合法。缺頁處理程式搜尋程序區域結構連結串列，把A和每個區域的vm_start和vm_end比較，不合法，觸發段錯誤，kill程序。
2. 訪問不合法。主要看程序是否有讀寫或執行這個區域內頁面的許可權，不合法則觸發保護異常，Linux也會報段錯誤，終止程序。
3. 正常缺頁。核心判斷地址和訪問都是合法的，那麼選擇犧牲一個頁面，如果被修改過交換出去，換入新頁面更新頁表。

如下圖：

Linux虛擬儲存組織

通過下面的圖可以一看一下Linux核心資料結構組織一個程序虛擬地址空間的方式。核心為系統中每個程序維護了一個單獨的任務結構task_struct

Linux程序地址空間

棧 (stack)

函式呼叫藉助的就是棧。Linux中ulimit -s命令可檢視和設定棧最大值，調高棧容量可能會增加記憶體開銷和啟動時間。

記憶體對映段 (mmmap)

核心將硬碟檔案的內容直接對映到記憶體，藉助Linux的mmap()系統呼叫。這裡也用來對映ELF檔案用到的動態連結庫。

堆 (heap)

分配的堆記憶體是經過位元組對齊的空間，以適合原子操作。堆管理器通過連結串列管理每個申請的記憶體，由於堆申請和釋放是無序的，最終會產生記憶體碎片。

堆的末端由break指標標識，當堆管理器需要更多記憶體時，可通過系統呼叫brk()和sbrk()來移動break指標以擴張堆，一般由系統自動呼叫。

資料段 (bss + data)

主要用來放全域性變數和靜態區域性變數，地址編譯期確定。

程式碼段 (text)

放的函式指令，地址編譯期確定。

更多有意思的細節可以看後面參考文獻。

Reference