虚拟地址空间布局架构

内存管理架构

Linux内核整体架构及子系统

Linux内核只是操作系统中的一部分，对下管理系统所有硬件设备；对上通过系统调用向Library Routine或（或者其它应用程序提供API接口）

用户空间

相当于应用程序使用malloc()申请内存，通过free()释放内存。malloc()/free()是glibc库的内存分配器ptmalloc提供的接口，ptmalloc使用系统调用brk或mmap向内核以页为单位申请内存，然后进行分成很小内存块分配给对应应用程序。

内核空间

虚拟内存管理负责从进程的虚拟地址空间分配虚拟页，sys_brk来扩大或收缩堆，sys_mmap用来在内存映射区域分配虚拟页，sys_munmap用来释放虚拟页。页分配器负责分配物理页，使用分配器是伙伴分配器。

内核空间拓展功能，不连续页分配器提供分配内存的接口vmalloc和释放内存接口vfree。在内存碎片化的时候，申请连续物理内存的成功率比较低，可以申请不连续的物理页，映射到连续的虚拟页，即虚拟地址连续而物理地址不连续。

内存控制组用来控制进程占用的内存资源。当内存碎片化的时候，找不到连续的物理页，内存碎片整理通过迁移方式得到连续的物理页。在内存不足的时候，页回收负责回收物理页。

硬件

MMU包含一个页表缓存，保存最近使用过的页表映射，避免每次把虚拟地址转换为物理地址都需要查询内存当中的页表。解决处理器执行速度和内存速度不匹配问题，中间增加一个缓存。一级缓存分为数据缓存和指令缓存。二级作用协调一级缓存和内存之间的工作效率。

系统调用(system call)

c++语言中，new/delete它们底层的实现也是malloc/free实现的。我们在编程的时候使用malloc()/free()与内核之间的接口（桥梁）就是sbrk()等系统函数。

虚拟地址空间布局架构

用户虚拟地址空间划分

​ VS_BITS是编译内核时选择的虚拟地址位数（这里源码是linux4.12.13的）

进程的用户虚拟地址空间包含区域：

代码段、数据段、未初始化数据段；

动态库的代码段、数据段、未初始化数据段；

存放动态生成的数据的堆；

存放局部变量和实现函数调用的栈；

把文件区间映射到虚拟地址空间的内存映射区域；

存放在栈底部的环境变量和参数字符串。

1、内核使用内存描述符mm_struct描述进程的用户虚拟地址空间，内核源码如下：

一个进程的虚拟地址空间主要由两个数据结构进行描述。一个是最高层次的mm_struct，较高层次的vm_area_struct。最高层次mm_struct描述一个进程整个虚拟地址空间。较高层次结构描述虚拟地址空间的一个区间（称为虚拟区）。每个进程只有一个mm_struct结构，在每个进程的task_struct结构中，有一个专门用来指向该进程的结构。mm_struct结构是对整个用户空间的描述。

内核地址空间布局

ARM64处理器架构内核地址空间布局如图所式：

KASAN：动态内存错误检查工具。