Linux内核源代码解析：进程地址空间详解

"这篇文档是陈香兰在2009年春季于中国科学技术大学计算机系讲解的关于《Linux内核源代码导读》的课程资料，主要探讨了Linux内核中的进程地址空间及其管理机制。" 在Linux内核中，进程的地址空间是操作系统核心管理的重要组成部分。每个进程都有自己的独立地址空间，最大可以访问4GB的线性地址空间。然而，这些线性地址并不是直接映射到物理内存的，而是通过一系列的权限控制和管理机制来实现的。内核使用线性区（memory areas）的概念来表示和管理这些地址空间，每个线性区包含了起始地址、长度以及访问权限等信息。 在Linux中，进程访问特定线性地址前，必须先获得对该地址的访问许可。这意味着，一个进程的地址空间是由多个允许访问的线性地址段组成。这些线性区的边界必须按照4KB对齐，这是由于内存管理的基本单位——页（Page）通常为4KB。线性区的创建和删除在进程生命周期中是常见的操作，例如在进程启动（如`fork()`）、执行新的程序（`execve()`）、映射文件到地址空间、堆栈扩展等场景下都会发生。 内核态和用户态在分配内存上有显著区别。内核态可以直接、高效地进行内存分配，因为它信任自己的操作。而用户态进程则不然，它们的内存请求不会立即得到物理内存的分配，而是获得一个线性地址区间，这个线性地址区间成为进程地址空间的一部分。只有在实际访问这些地址时，才会触发缺页异常，此时内核才会分配物理页并建立映射。 内存分配的管理结构在内核中体现为`mm_struct`，这是一个关键的数据结构，它记录了进程的地址空间信息。系统调用如`brk()`用于改变进程堆的大小，`execve()`用于加载新的可执行文件并替换当前进程的地址空间，`_exit()`终止进程并销毁其地址空间，而`fork()`创建新的进程，复制父进程的地址空间。 通过深入理解和分析Linux内核的源代码，我们可以更清晰地看到这些概念如何在实际操作中工作，这对于理解Linux系统的内存管理和优化具有重要意义。