對于內(nèi)核空間而言，它與物理內(nèi)存之間存在一個簡單的線性關系，即存在3GB的偏移量。在Linux內(nèi)核中，這個偏移量叫做PAGE_OFFSET。如果內(nèi)核的某個物理地址為x，那么對應的內(nèi)核虛地址就為x+PAGE_OFFSET。

　　對于用戶空間而言，它與物理內(nèi)存之間的映射遠不止這么簡單。與內(nèi)核空間和物理空間的線性映射不同的是，分頁機制將虛擬用戶空間和物理地址空間分成大小相同的頁，然后再通過頁表將虛擬頁和物理頁塊映射起來。

 　　內(nèi)核空間一般可以通過__get_free_page()、kmalloc()和vmalloc()來申請內(nèi)核空間。只不過__get_free_page函數(shù)每次申請的都是完整的頁；而后兩者則依據(jù)具體參數(shù)申請以字節(jié)為單位的內(nèi)存空間。此外，前兩個函數(shù)申請的虛擬地址空間和物理地址空間都是連續(xù)的；vmalloc函數(shù)申請的物理地址空間并不連續(xù)。vmalloc函數(shù)通過重新建立虛擬地址空間和物理地址空間之間的映射，即新建頁表項，將離散的物理地址空間映射到連續(xù)的虛擬地址空間。因此，使用該函數(shù)的開銷比較大。

　　下面的程序簡單的演示了這三個函數(shù)的使用方法。從結果中可以看出，這些函數(shù)申請的地址都在3GB（0xBFFFFFFF）以上。完整代碼在如下。

　　 static int __init menroyshow_init(void) 　　{

 　　printk("mmshow module is working\n"); 

　　pagemem = __get_free_page(GFP_KERNEL); 

　　if(!pagemem)

 　   goto gfp_fail; 

　　printk(KERN_INFO "pagemem = 0x%lx\n",pagemem); 

　　kmallocmem = kmalloc(100 * sizeof(char),GFP_KERNEL); 

　　if(!kmallocmem)

 　　goto kmalloc_fail; 

 　　printk(KERN_INFO "kmallocmem = 0x%p\n",kmallocmem);

 　　vmallocmem = vmalloc(1000000 * sizeof(char));

 　　if(!vmallocmem)

 　　goto vmalloc_fail; 

 　　printk(KERN_INFO "vmallocmem = 0x%p\n",vmallocmem); 

　　return 0; 

　　gfp_fail: 

 　　free_page(pagemem);

 　　kmalloc_fail: 

　　kfree(kmallocmem); 

　　vmalloc_fail: 

 　　vfree(vmallocmem); 

　　return -1; 

　　} 

　　//運行結果：

 　　# pagemem = 0xf3211000 　　# kmallocmem = 0xd581e700 　　# vmallocmem = 0xf9251000

　　 每個進程夠擁有屬于自己的3GB的虛擬空間(用戶空間)，那么這個3GB的空間是如何劃分的？通常，除了我們熟悉的代碼段和數(shù)據(jù)段，用戶空間還包括堆棧段和堆。我們可以通過下面的演示程序來了解這些區(qū)域到底負責存儲程序的那些內(nèi)容?！　nt bss_var; 　　int data_var0 = 1; 　　int main(int argc,char **argv) 　　{ 　　printf("The user space's address division of a process as follow:\n"); 　　printf("Data segment:\n"); 　　printf("address of \"main\" function:%p\n\n",main); 　　printf("Data segment:\n"); 　　printf("address of data_var:%p\n",&data_var0); 　　static int data_var1 = 4; 　　printf("new end of data_var:%p\n\n",&data_var1); 　　printf("BSS:\n"); 　　printf("address of bss_var:%p\n\n",&bss_var); 　　char *str = (char *)malloc(sizeof(char)*10); 　　printf("initial heap end:%p\n",str); 　　char *buf = (char *)malloc(sizeof(char)*10); 　　printf("new heap end:%p\n\n",buf); 　　int stack_var0 = 2; 　　printf("Stack segment:\n"); 　　printf("initial end of stack:%p\n",&stack_var0); 　　int stack_var1 = 3; 　　printf("new end of stack:%p\n",&stack_var1); 　　return 0; 　　} 　　//運行結果： 　　The user space's address division of a process as follow: 　　Data segment: 　　address of "main" function:0x8048454 　　Data segment: 　　address of data_var:0x804a01c 　　new end of data_var:0x804a020 　　BSS: 　　address of bss_var:0x804a02c 　　initial heap end:0x8f77008 　　new heap end:0x8f77018 　　Stack segment: 　　initial end of stack:0xbfe0a3b4 　　new end of stack:0xbfe0a3b0 　　可以看到，代碼段存放程序的代碼；數(shù)據(jù)段存放全局變量和static類型的局部變量。此外，未初始化的全局變量雖然也存在于數(shù)據(jù)段，但是這些未初始化的變量都集中在靠近數(shù)據(jù)段上邊界的區(qū)域，這個區(qū)域稱為BSS段。以上這些空間是進程所必須擁有的，它們在進程運行之前就分配好了?！　〕绦蛑械木植孔兞恳话惚环峙湓诙褩６?，其位于用戶空間最頂部。與固定的代碼段和數(shù)據(jù)段不同的是，堆棧段存儲數(shù)據(jù)是從高低值往低地址延伸的。因此，在數(shù)據(jù)段到堆棧段之間，形成了一片空洞，這片空洞用于存儲malloc函數(shù)所動態(tài)分配的空間，這片空洞區(qū)域被稱為堆?！　⊥ㄟ^下面這個圖可以更進一步的了解到進程用戶空間的劃分情況?！　　　? 　　　　以上是關于進程用戶空間劃分的大致分析，上述理論在內(nèi)核代碼中如何體現(xiàn)？它將涉及到mm_struct結構和vm_area_struct結構?！　∶恳粋€進程都擁有3GB大小的用戶空間，而連續(xù)用戶空間又按照存儲內(nèi)容的不同被劃分成若干個區(qū)域。在內(nèi)核中，主要通過mm_struct結構體和vm_area_struct結構體對進程用戶空間進行描述。前者是對進程的用戶空間進行整體的描述；而后者則是對用戶空間中的某個區(qū)域進行描述。顯然，每一個進程對應的有一個mm_struct結構和多個vm_area_struct結構?！　?.mm_struct結構　　最新版本中的mm_struct結構字段比較多，接下來只對部分字段做以說明?！　map：vm_area_struct結構體類型的指針。指向進程用戶空間中各區(qū)域所組成的雙鏈表。鏈表方式可以高效的遍歷所有元素；　　mm_rb：rb_root結構體類型。同樣描述內(nèi)存區(qū)域塊，只不過采用紅黑樹來表示。用紅黑樹可以快速索引到指定的元素；　　mm_users：atomic_t類型。用來記錄正在使用該地址空間的進程數(shù)目。比如，當前有3個進程正在共享該地址空間，那么其值為3；　　mm_count：atomic_t類型。記錄mm_struct結構體被引用的次數(shù)。如果當前該地址空間只被兩個進程所共享，那么該值為1，mm_users為2；當這兩個進程都退出時，該值為0，mm_users也為0。另外，內(nèi)核線程并不需要訪問用戶的內(nèi)存空間，也并不需要創(chuàng)建頁表。內(nèi)核線程一般會直接使用前一個進程的mm_struct結構。因此該字段的計數(shù)還包括內(nèi)核線程對這個結構的引用?！　ap_count：int類型。內(nèi)存區(qū)域的個數(shù)；　　pgd：pgd_t類型，該結構體類型內(nèi)部封裝的是unsigned long類型的數(shù)據(jù)。pgd表示的是頁目錄基址。當調(diào)度程序調(diào)度一個進程運行時，就將這個線性地址轉(zhuǎn)化為物理地址，并寫入CR3控制寄存器中；　　start_code, end_code, start_data, end_data：unsigned long類型。進程代碼段和數(shù)據(jù)段的起始地址和終止地址；　　start_brk, brk, start_stack：unsigned long類型。分別為堆的起始地址和終止地址，堆棧的起始地址。上文說過，進程的堆棧段是根據(jù)需求向下（朝低地址方向）延伸的，因此這里并沒有堆棧段的終止地址；　　arg_start, arg_end, env_start, env_end：unsigned long類型。命令行參數(shù)所在內(nèi)存的起始地址和終止地址，環(huán)境變量所在內(nèi)存的起始地址和終止地址；　　2.vm_area_struct結構　　上面我們已經(jīng)知道，該結構體描述的是進程用戶空間中的一個虛擬內(nèi)存區(qū)間（Virtual Memory Area，VMA）?！　m_mm：mm_struct結構體類型指針。指向該區(qū)域所屬的用戶空間對應的mm_struct結構體?！　m_start，vm_end：unsigned long類型。該虛存區(qū)域的起始地址和終止地址?！　m_next，vm_prev：vm_area_struct結構體類型指針。構成VMA雙聯(lián)表。　　vm_flags：unsigned long類型。該虛存區(qū)的標志?！　m_page_prot：pgprot_t結構體類型，內(nèi)部封裝了unsigned long類型。訪問控制權限?！　m_ops：vm_operations_struct結構體類型。該虛存區(qū)域的操作函數(shù)接口，這些函數(shù)可以對虛存區(qū)中的頁進行操作。　　3.數(shù)據(jù)結構的關系　　了解了上述結構體的關鍵字段，它們與進程之間的邏輯關系便是我們接下來要關心的重點。我們知道，一個進程在內(nèi)核中使用task_struct結構對其進行描述。task_struct結構中有一個mm字段，它所指向的便是與該進程用戶空間所對應的mm_struct結構體。通過上述分析，我們知道m(xù)m_struct結構中有mmap字段，它指向VMA雙鏈表。因此，我們使用current->mm->mmap就可以獲得VMA鏈表的頭指針。那么current->mm->mmap->vm->next就可以獲得指向該VMA雙聯(lián)表的下一個結點的指針?！　?.動手查看內(nèi)存區(qū)域　　上述我們從代碼角度分析了用戶地址空間和內(nèi)存區(qū)域。那么對于一個任意的進程，我們?nèi)绾尾榭此膬?nèi)存空間和所劃分的內(nèi)存區(qū)域？　　我們先看一個簡單的測試程序：　　int main(void) 　　{ 　　int i=1; 　　char *str=NULL; 　　str=(char *)malloc(sizeof(char)*1119); 　　sleep(1000); 　　return 0; 　　}　　這個程序中使用到了malloc函數(shù)，因此str變量存儲于堆中。我們通過打印/proc/3530/maps文件，即可看到該進程的內(nèi)存空間劃分。其中3530是該進程的id?！　? cat /proc/3530/maps 　　0014a000-00165000 r-xp 00000000 08:07 398276 /lib/ld-2.11.1.so 　　00165000-00166000 r--p 0001a000 08:07 398276 /lib/ld-2.11.1.so 　　00166000-00167000 rw-p 0001b000 08:07 398276 /lib/ld-2.11.1.so 　　001d8000-0032b000 r-xp 00000000 08:07 421931 /lib/tls/i686/cmov/libc-2.11.1.so 　　0032b000-0032c000 ---p 00153000 08:07 421931 /lib/tls/i686/cmov/libc-2.11.1.so 　　0032c000-0032e000 r--p 00153000 08:07 421931 /lib/tls/i686/cmov/libc-2.11.1.so 　　0032e000-0032f000 rw-p 00155000 08:07 421931 /lib/tls/i686/cmov/libc-2.11.1.so 　　0032f000-00332000 rw-p 00000000 00:00 0 　　00441000-00442000 r-xp 00000000 00:00 0 [vdso] 　　08048000-08049000 r-xp 00000000 08:09 326401 /home/edsionte/test 　　08049000-0804a000 r--p 00000000 08:09 326401 /home/edsionte/test 　　0804a000-0804b000 rw-p 00001000 08:09 326401 /home/edsionte/test 　　08958000-08979000 rw-p 00000000 00:00 0 [heap] 　　b78ce000-b78cf000 rw-p 00000000 00:00 0 　　b78dd000-b78e0000 rw-p 00000000 00:00 0 　　bfa6a000-bfa7f000 rw-p 00000000 00:00 0 [stack] 每一行信息依次顯示的內(nèi)容為內(nèi)存區(qū)域其實地址-終止地址，訪問權限，偏移量，主設備號：次設備號，inode，文件?！　∩厦娴男畔⒉坏藅est可執(zhí)行對象的各內(nèi)存區(qū)域，而且還分別顯示了 /lib/ld-2.11.1.so（動態(tài)連接程序）文件和/lib/tls/i686/cmov/libc-2.11.1.so（C庫）文件的內(nèi)存區(qū)域信息。　　從某個內(nèi)存區(qū)域的訪問權限上可以大致判斷該區(qū)域的類型。各個屬性符號的意義為：r-read，w-write，x-execute，s-shared，p-private。因此，r-x一般代表程序的代碼段，即可讀，可執(zhí)行。rw-可能代表數(shù)據(jù)段，BSS段和堆棧段等，即可讀，可寫。堆棧段從行信息的文件名就可以區(qū)分；如果某行信息的文件名為空，那么可能是BSS段。另外，上述test進程共享了內(nèi)核動態(tài)庫，所以在00441000-00442000行處文件名顯示為vdso（Virtual Dynamic Shared Object）。