10 如何表示虚拟内存

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10 如何表示虚拟内存

2023-04-27 20:55:10 来源：博客园

x86 CPU 的虚拟地址空间划分：

(资料图片)

一个应用往往拥有很大的连续地址空间，并且每个应用都是一样的，只有在运行时才能分配到真正的物理内存，在操作系统中被称为虚拟内存；

x86CPU支持虚拟地址时要么开启保护模式要么开启长模式；保护模式下是32位，没有进行任何划分；长模式下64位，但是CPU只是实现了48位的地址空间，寄存器确实64位的，CPU用地址数据的47位扩展到最高16位，因此，要么全0、要么全1；

Cosmos 划分虚拟地址：

由以上长模式可以看出，0xFFFF800000000000～0xFFFFFFFFFFFFFFFF分给内核；0 ~ 0x00007FFFFFFFFFFF分给应用；

进一步做细分：应用空间的最顶端是应用程序的栈，线下增长；堆是在应用程序数据区的后面，向上增长；低地址存放应用指令区和数据区；

在内核的低地址区0xFFFF800000000000～0xFFFF800400000000存放线性映射区；这是在二级引导区中建立的MMU页表映射；

设计数据结构：

虚拟地址区间、管理虚拟地址区间、对应的物理页面等；

虚拟地址区间：

虚拟地址空间往往是以区间为单位的，比如栈区、堆区、指令区、数据区；；区内部连续，区与区至之间间隔很大；当涉及到区空间的扩大时，不用建立新的虚拟地址区间数据结构，只是改变其中的指针；

kmvarsdsc_t 结构体：包含虚拟地址的开始与结束字段、自旋锁、链表、类型等；

整个虚拟地址空间：

多个虚拟地址区间连接成整个虚拟地址空间；

virmemadrs_t 结构管理了整个虚拟地址空间的区间 kmvarsdsc_t 结构体；

进程的内存地址空间：

虚拟地址空间作作用于应用程序，而应用程序在操作系统中用进程表示；一个进程由虚拟地址空间信息、进程和虚拟地址和物理地址的映射信息、应用程序文件中的指令区、数据区的开始、结束地址信息；

mmadrsdsc_t 结构体表示这些信息，包含了mmudsc_t 表示的MMU的页表数据；

页面盒子：

每段虚拟地址区间，都会映射到对应的物理页面，根据物理内存管理器的设计，分配完页面后，会返回一个msadsc_t 结构体，所以还需要一个数据结构来挂载msadsc_t 结构体；

不把它挂载到虚拟地址区间的结构体中，出于：把一个文件映射到进程的虚拟地址空间中，只需要在内存页面保留一份共享文件，多个程序就可以共它，常规操作就是把同一物理内存页面映射到不同的虚拟地址区间，因此我们实现了一个专用的数据结构，共享操作就可以让多个 kmvarsdsc_t 结构指向它；

kvmemcbox_t 结构体实现了上述功能；可以独立存在，又和虚拟内存区间有紧密的联系，甚至可以用来管理文件数据占用的物理内存页面；

页面盒子的头：

kvmemcboxmgr_t 结构体用来管理所有的 kvmemcbox_t 结构；

作为全局数据结构，用于找到并对kvmcbox_t 结构体计数；还要支持缓存多个空闲的kvmemcbox_t 结构体；

缓存是为了放置频繁分配、释放kvmemcbox_t 结构带来的系统性能抖动；同时，可以供下次取出即用，不必再找内核申请，大大提高性能；

数据结构之间的关系：

首先从进程的虚拟地址空间开始，进程的虚拟地址是 kmvarsdsc_t 结构表示，一个kmvarsdsc_t 结构表示一个已经分配出去的虚拟地址空间；一个进程所有的 kmvarsdsc_t 结构，要交给进程的mmadrsdsc_t 结构中的 virmemadrs_t 结构管理；

为了管理虚拟地址空间对应的物理内存页面，建立了kvmembox_t 结构，由kvmemcboxmgr_t 结构统一管理，在kvmembox_t 结构中，挂载了物理内存页面对应的 msadsc_t 结构；

初始化：

虚拟地址空间的分配与释放，依赖于进程数据结构下的 mmadrsdsc_t 结构，实例一个结构变量，进行初始化；

这个在属于内核层功能；init_kvirmemadrs 函数首先调用了mmadrsdsc_t_init 函数，初始化 mmadrsdsc_t 结构；接着调用了 kvma_inituserspace_virmemadrs 函数，这个函数中建立了一个虚拟地址区间和一个栈区间；栈区位于虚拟地址空间的顶端；

在init_krl 函数中调用init_krlmm 函数，此函数调用我们的 init_kvirmemadrs 函数；

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