进程内存地址
通过之前的内容，我们学习到内核通过：
- _get_free_pages( ) 或 alloc_pages() 从zoned page frame allocator 中分配内存。
- kmem_cache_alloc( ) 或 kmalloc( ) 分配小块的数据结构空间
- vmalloc( ) 或 vmalloc_32() 分配不连续的空间
内核内部分配内存是实时、同步的，也信任相关的程序。
但当是应用来申请分配内存时，情况不同了：
- 应用分配内存一般不紧急，可以廷后实制的分配
- 应用不可信，内核需要处理异常访问
当应用申请动态分配内存时，它实制上不是马上得到一个 page frame，而是获得访问一个线性地址范围的权限。
memory regions
内核把进程地址分成区，叫 memory regions。以下是进程获取 region 的例子：
- 用户在终端中输入一个命令，新的 进程使用了新的
memory regions - 进程 execve 一个加载和运行一个新的应用执行文件，保留了进程ID
- 进程使用 memory mapping 来映射文件到内存空间
- 进程用光了用户态的栈空间，需要扩展
- 进程建立了IPC共享内存区，以和其它进程通讯
- 进程通过 malloc() 函数主动扩展动态分配的内存区（堆）。内核可能会最终扩展堆使用的
memory region
以下是和memory region有关的 system call:
Memory Descriptor
进程相关的地址空间信息保存于 Memory Descriptor（mm_struct）。process descriptor 的 mm 字段指向了这个 Memory Descriptor。
所有的 Memory Descriptors 都保存在一个双向链表（doubly linked list）。每个 Descriptor 的 mmlist中均指向其相邻的Descriptor 节点。这个双向链表的第一个节点就是init_mm的mmlist，即进程 0 在初始化阶段使用的 Memory Descriptor。链表通过一个 mmlist_ock spin lock 进行并发访问保护。
mm_users记录了线程的引用计数，mm_count记录了总的使用计数。即mm_user非0时，在mm_count中占用1。
内核线程可能会临时使用这个 Memory Descriptor，期间mm_count会加1。
内核线程的 Memory Descriptor
内核线程和一般用户进程不同，没有自己的 Memory Region。所以它要借用一般用户进程的memeory descriptor。
进程的 Descriptor 有两个memory descriptor指针类型的字段，一个是之前说的mm，一个是active_mm。在执行一般进程时，这两个均指向相同。而当执行内核线程时，active_mm设置为相同CPU 的前一个执行的进程的mm。
Memory Regions
Memory Regions 以vm_area_struct数据结构表示。
进程的 Memory Region不会重叠。要分配新的Memory Region时，进程尽可能地让Memory Region连续，然后合并。
Memory Region 数据结构
进程 Descriptor 中有：
mmap字段指向进程的首个memory region descriptor节点map_count字段指向进程的memrory region计数。Linux 默认限制最大值为 65,536 个 memory region。可能通过/proc/sys/vm/max_map_count文件修改。
Memory Region 与访问权限
需要清楚一下 Memory Region 与 Page 的关系。Memory Region 由连续编号的 Page 组成。
之前已经了解过，Page Table Entry 与 Page 有以下权限选项：
- Page Table Entry: Read/Write , Present , or User/Supervisor
- Page： page descriptor 中的标记位
Memory Region 在更高级别上定义了访问权限（设置于vm_area_struct的vm_flags）：
分配线性地址块
线性内存块由 do_mmap()函数创建和初始化。在创建后，可能被合并到现有的Memory Region中。 do_mmap()有以下参数：
- file and offset - File Object Pointer 文件和文件 offset，如果需要映射到文件
- addr - 索引空闲地址的开始点
- len - 长度
- flag
- MAP_GROWSDOWN
- MAP_LOCKED - 进程限制不能超过 signal->rlim[RLIMIT_MEMLOCK].rlim_cur
- MAP_DENYWRITE , MAP_EXECUTABLE
- MAP_SHARED and MAP_PRIVATE
memory region 是否可以在进程间共享 - MAP_FIXED
- MAP_ANONYMOUS： 没映射到文件
Page Fault Exception Handler
一点需要注意的是，Copy On Write（COW）是用Page Fault Exception Handler方法实现的。一开始，Page 配置成 Read only。在写时，触发 Page Fault Exception Handler。再 copy page。配置为 Write/Read。
进程堆（Heap）的管理
每个进程有一个堆空间，用于满足进程的动态内存请求。memory descriptor的start_brk和brk字段指明了堆的边界。以下API用于进程的动态内存请求：
- malloc(size)
- free(addr)
- brk(addr)
直接修改堆大小
brk() 和其它函数不同，它直接由system call - sys_brk() 实现。其它函数间接由 libc 调用brk() 和 mmap() 实现。
参考
[Understanding The Linux Kernel 3rd Edition]
