内存管理：虚拟地址空间布局

内存管理子系统的架构如图1.1所示，分为用户空间、内核空间和硬件3个层面。

图1.1 内存管理架构

1．用户空间

应用程序使用malloc()申请内存，使用free()释放内存。

malloc()和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，然后划分成小内存块分配给应用程序。

用户空间的内存分配器，除了glibc库的ptmalloc，还有谷歌公司的tcmalloc和FreeBSD的jemalloc。

2．内核空间

（1）内核空间的基本功能。

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用来扩大或收缩堆，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。

内核使用延迟分配物理内存的策略，进程第一次访问虚拟页的时候，触发页错误异常，页错误异常处理程序从页分配器申请物理页，在进程的页表中把虚拟页映射到物理页。

页分配器负责分配物理页，当前使用的页分配器是伙伴分配器。

内核空间提供了把页划分成小内存块分配的块分配器，提供分配内存的接口kmalloc()和释放内存的接口kfree()，支持3种块分配器：SLAB分配器、SLUB分配器和SLOB分配器。

在内核初始化的过程中，页分配器还没准备好，需要使用临时的引导内存分配器分配内存。

（2）内核空间的扩展功能。

不连续页分配器提供了分配内存的接口vmalloc和释放内存的接口vfree，在内存碎片化的时候，申请连续物理页的成功率很低，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。

每处理器内存分配器用来为每处理器变量分配内存。

连续内存分配器（Contiguous Memory Allocator，CMA）用来给驱动程序预留一段连续的内存，当驱动程序不用的时候，可以给进程使用；当驱动程序需要使用的时候，把进程占用的内存通过回收或迁移的方式让出来，给驱动程序使用。

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（“memory compaction”的意译，直译为“内存紧缩”）通过迁移的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，对于没有后备存储设备支持的匿名页，把数据换出到交换区，然后释放物理页；对于有后备存储设备支持的文件页，把数据写回存储设备，然后释放物理页。如果页回收失败，使用最后一招：内存耗尽杀手（OOM killer，Out-of-Memory killer），选择进程杀掉。

3．硬件层面

处理器包含一个称为内存管理单元（Memory Management Unit，MMU）的部件，负责把虚拟地址转换成物理地址。

内存管理单元包含一个称为页表缓存（Translation Lookaside Buffer，TLB）的部件，保存最近使用过的页表映射，避免每次把虚拟地址转换成物理地址都需要查询内存中的页表。

为了解决处理器的执行速度和内存的访问速度不匹配的问题，在处理器和内存之间增加了缓存。缓存通常分为一级缓存和二级缓存，为了支持并行地取指令和取数据，一级缓存分为数据缓存和指令缓存。

1.2 虚拟地址空间布局

1.2.1 虚拟地址空间划分

因为目前应用程序没有那么大的内存需求，所以ARM64处理器不支持完全的64位虚拟地址，实际支持情况如下。

（1）虚拟地址的最大宽度是48位，如图3.2所示。内核虚拟地址在64位地址空间的顶部，高16位是全1，范围是[0xFFFF 0000 0000 0000，0xFFFF FFFF FFFF FFFF]；用户虚拟地址在64位地址空间的底部，高16位是全0，范围是[0x0000 0000 0000 0000，0x0000 FFFF FFFF FFFF]；高16位是全1或全0的地址称为规范的地址，两者之间是不规范的地址，不允许使用。

（2）如果处理器实现了 ARMv8.2 标准的大虚拟地址（Large Virtual Address，LVA）支持，并且页长度是64KB，那么虚拟地址的最大宽度是52位。

（3）可以为虚拟地址配置比最大宽度小的宽度，并且可以为内核虚拟地址和用户虚拟地址配置不同的宽度。转换控制寄存器（Translation Control Register）TCR_EL1的字段T0SZ定义了必须是全0的最高位的数量，字段T1SZ定义了必须是全1的最高位的数量，用户虚拟地址的宽度是（64-TCR_EL1.T0SZ），内核虚拟地址的宽度是（64-TCR_EL1.T1SZ）。

在编译ARM64架构的Linux内核时，可以选择虚拟地址宽度。

（1）如果选择页长度4KB，默认的虚拟地址宽度是39位。

（2）如果选择页长度16KB，默认的虚拟地址宽度是47位。

（3）如果选择页长度64KB，默认的虚拟地址宽度是42位。

（4）可以选择48位虚拟地址。

在ARM64架构的Linux内核中，内核虚拟地址和用户虚拟地址的宽度相同。

所有进程共享内核虚拟地址空间，每个进程有独立的用户虚拟地址空间，同一个线程组的用户线程共享用户虚拟地址空间，内核线程没有用户虚拟地址空间。

1.2.2 用户虚拟地址空间布局

进程的用户虚拟地址空间的起始地址是0，长度是TASK_SIZE，由每种处理器架构定义自己的宏TASK_SIZE。ARM64架构定义的宏TASK_SIZE如下所示。

（1）32位用户空间程序：TASK_SIZE的值是TASK_SIZE_32，即0x100000000，等于4GB。

（2）64位用户空间程序：TASK_SIZE的值是TASK_SIZE_64，即2VA_BITS字节，VA_BITS是编译内核时选择的虚拟地址位数。

arch/arm64/include/asm/memory.h#define VA_BITS          (CONFIG_ARM64_VA_BITS)#define TASK_SIZE_64     (UL(1) << VA_BITS)#ifdef CONFIG_COMPAT    /* 支持执行32位用户空间程序 */#define TASK_SIZE_32     UL(0x100000000)/* test_thread_flag(TIF_32BIT)判断用户空间程序是不是32位 */#define TASK_SIZE       (test_thread_flag(TIF_32BIT) ? \                  TASK_SIZE_32 : TASK_SIZE_64)#define TASK_SIZE_OF(tsk)  (test_tsk_thread_flag(tsk, TIF_32BIT) ? \                  TASK_SIZE_32 : TASK_SIZE_64)#else#define TASK_SIZE    TASK_SIZE_64#endif /* CONFIG_COMPAT */

进程的用户虚拟地址空间包含以下区域。

（1）代码段、数据段和未初始化数据段。

（2）动态库的代码段、数据段和未初始化数据段。

（3）存放动态生成的数据的堆。

（4）存放局部变量和实现函数调用的栈。

（5）存放在栈底部的环境变量和参数字符串。

（6）把文件区间映射到虚拟地址空间的内存映射区域。

内核使用内存描述符mm_struct描述进程的用户虚拟地址空间，内存描述符的主要成员如表1.1所示。

表3.1 内存描述符的主要成员

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进程描述符（task_struct）中和内存描述符相关的成员如表3.2所示。

表1.2 进程描述符中和内存描述符相关的成员

如果进程不属于线程组，那么进程描述符和内存描述符的关系如图 1.3 所示，进程描述符的成员mm和active_mm都指向同一个内存描述符，内存描述符的成员mm_users是1、成员mm_count是1。

如果两个进程属于同一个线程组，那么进程描述符和内存描述符的关系如图1.4所示，每个进程的进程描述符的成员mm和active_mm都指向同一个内存描述符，内存描述符的成员mm_users是2、成员mm_count是1。

图1.3 进程的进程描述符和内存描述符的关系 图1.4 线程组的进程描述符和内存描述符的关系

内核线程的进程描述符和内存描述符的关系如图 3.5 所示，内核线程没有用户虚拟地址空间，当内核线程没有运行的时候，进程描述符的成员mm和active_mm都是空指针；当内核线程运行的时候，借用上一个进程的内存描述符，在被借用进程的用户虚拟地址空间的上方运行，进程描述符的成员active_mm指向借用的内存描述符，假设被借用的内存描述符所属的进程不属于线程组，那么内存描述符的成员mm_users不变，仍然是1，成员mm_count加1变成2。

图1.5 内核线程的进程描述符和内存描述符的关系

为了使缓冲区溢出攻击更加困难，内核支持为内存映射区域、栈和堆选择随机的起始地址。进程是否使用虚拟地址空间随机化的功能，由以下两个因素共同决定。

（1）进程描述符的成员personality（个性化）是否设置ADDR_NO_RANDOMIZE。

（2）全局变量randomize_va_space：0表示关闭虚拟地址空间随机化，1表示使内存映射区域和栈的起始地址随机化，2表示使内存映射区域、栈和堆的起始地址随机化。可以通过文件“/proc/sys/kernel/randomize_va_space”修改。

mm/memory.cint randomize_va_space __read_mostly =#ifdef CONFIG_COMPAT_BRK                    1;#else                    2;#endif

为了使旧的应用程序（基于libc5）正常运行，默认打开配置宏CONFIG_COMPAT_BRK，禁止堆随机化。所以默认配置是使内存映射区域和栈的起始地址随机化。

栈通常自顶向下增长，当前只有惠普公司的PA-RISC处理器的栈是自底向上增长。栈的起始地址是STACK_TOP，默认启用栈随机化，需要把起始地址减去一个随机值。STACK_TOP是每种处理器架构自定义的宏，ARM64架构定义的STACK_TOP如下所示：如果是64位用户空间程序，STACK_TOP的值是TASK_SIZE_64；如果是32位用户空间程序，STACK_TOP的值是异常向量的基准地址0xFFFF0000。

arch/arm64/include/asm/processor.h#define STACK_TOP_MAX         TASK_SIZE_64#ifdef CONFIG_COMPAT  /* 支持执行32位用户空间程序 */#define AARCH32_VECTORS_BASE  0xffff0000#define STACK_TOP   (test_thread_flag(TIF_32BIT) ? \                 AARCH32_VECTORS_BASE : STACK_TOP_MAX)#else#define STACK_TOP    STACK_TOP_MAX#endif /* CONFIG_COMPAT */

内存映射区域的起始地址是内存描述符的成员 mmap_base。如图 1.6 所示，用户虚拟地址空间有两种布局，区别是内存映射区域的起始位置和增长方向不同。

（1）传统布局：内存映射区域自底向上增长，起始地址是TASK_UNMAPPED_BASE，每种处理器架构都要定义这个宏，ARM64架构定义为 TASK_SIZE/4。默认启用内存映射区域随机化，需要把起始地址加上一个随机值。传统布局的缺点是堆的最大长度受到限制，在32位系统中影响比较大，但是在64位系统中这不是问题。

（2）新布局：内存映射区域自顶向下增长，起始地址是（STACK_TOP − 栈的最大长度 − 间隙）。默认启用内存映射区域随机化，需要把起始地址减去一个随机值。

当进程调用execve以装载ELF文件的时候，函数load_elf_binary将会创建进程的用户虚拟地址空间。函数load_elf_binary创建用户虚拟地址空间的过程如图1.7所示。

如果没有给进程描述符的成员personality设置标志位ADDR_NO_RANDOMIZE（该标志位表示禁止虚拟地址空间随机化），并且全局变量randomize_va_space是非零值，那么给进程设置标志PF_RANDOMIZE，允许虚拟地址空间随机化。

图1.6 用户虚拟地址空间的两种布局

图1.7 装载ELF文件时创建虚拟地址空间

各种处理器架构自定义的函数arch_pick_mmap_layout负责选择内存映射区域的布局。ARM64架构定义的函数arch_pick_mmap_layout如下：

arch/arm64/mm/mmap.c1   void arch_pick_mmap_layout(struct mm_struct *mm)2   {3    unsigned long random_factor = 0UL;4    5    if (current->flags & PF_RANDOMIZE)6         random_factor = arch_mmap_rnd();7    8    if (mmap_is_legacy()) {9         mm->mmap_base = TASK_UNMAPPED_BASE + random_factor;10        mm->get_unmapped_area = arch_get_unmapped_area;11    } else {12        mm->mmap_base = mmap_base(random_factor);13        mm->get_unmapped_area = arch_get_unmapped_area_topdown;14    }15   }16    17   static int mmap_is_legacy(void)18   {    19    if (current->personality & ADDR_COMPAT_LAYOUT)20         return 1;21    22    if (rlimit(RLIMIT_STACK) == RLIM_INFINITY)23         return 1;24    25    return sysctl_legacy_va_layout;26   }

第8～10行代码，如果给进程描述符的成员personality设置标志位ADDRCOMPAT LAYOUT表示使用传统的虚拟地址空间布局，或者用户栈可以无限增长，或者通过文件“/proc/sys/vm/legacy_va_layout”指定，那么使用传统的自底向上增长的布局，内存映射区域的起始地址是 TASK_UNMAPPED_BASE 加上随机值，分配未映射区域的函数是arch_get_unmapped_area。

第11～13行代码，如果使用自顶向下增长的布局，那么分配未映射区域的函数是arch_ get_unmapped_area_topdown，内存映射区域的起始地址的计算方法如下：

arch/arm64/include/asm/elf.h#ifdef CONFIG_COMPAT#define STACK_RND_MASK         (test_thread_flag(TIF_32BIT) ? \                               0x7ff >> (PAGE_SHIFT - 12) : \                               0x3ffff >> (PAGE_SHIFT - 12))#else#define STACK_RND_MASK         (0x3ffff >> (PAGE_SHIFT - 12))#endifarch/arm64/mm/mmap.c**#define MIN_GAP (SZ_128M + ((STACK_RND_MASK << PAGE_SHIFT) + 1))#define MAX_GAP (STACK_TOP/6*5)static unsigned long mmap_base(unsigned long rnd){     unsigned long gap = rlimit(RLIMIT_STACK);     if (gap < MIN_GAP)           gap = MIN_GAP;     else if (gap > MAX_GAP)           gap = MAX_GAP;     return PAGE_ALIGN(STACK_TOP - gap - rnd);}

先计算内存映射区域的起始地址和栈顶的间隙：初始值取用户栈的最大长度，限定不能小于“128MB + 栈的最大随机偏移值 + 1”，确保用户栈最大可以达到128MB；限定不能超过STACK_TOP的5/6。内存映射区域的起始地址等于“STACK_TOP−间隙−随机值”，然后向下对齐到页长度。

回到函数load_elf_binary：函数setup_arg_pages把栈顶设置为STACK_TOP减去随机值，然后把环境变量和参数从临时栈移到最终的用户栈；函数set_brk设置堆的起始地址，如果启用堆随机化，把堆的起始地址加上随机值。

fs/binfmt_elf.cstatic int load_elf_binary(struct linux_binprm *bprm){     …     retval = setup_arg_pages     (bprm, randomize_stack_top(STACK_TOP),                     executable_stack);     …     retval = set_brk(elf_bss, elf_brk, bss_prot);     …     if ((current->flags & PF_RANDOMIZE) && (randomize_va_space > 1)) {           current->mm->brk = current->mm->start_brk =arch_randomize_brk(current->mm);     }     …}

3.2.3 内核地址空间布局

ARM64处理器架构的内核地址空间布局如图3.8所示。

图1.8 ARM64架构的内核地址空间布局

（1）线性映射区域的范围是[PAGE_OFFSET, 264−1]，起始位置是PAGE_OFFSET = (0xFFFF FFFF FFFF FFFF << (VA_BITS-1))，长度是内核虚拟地址空间的一半。称为线性映射区域的原因是虚拟地址和物理地址是线性关系：

虚拟地址 =（（物理地址 − PHYS_OFFSET）+ PAGE_OFFSET），其中PHYS_OFFSET是内存的起始物理地址。

（2）vmemmap 区域的范围是[VMEMMAP_START, PAGE_OFFSET)，长度是VMEMMAP_SIZE =（线性映射区域的长度 / 页长度 * page结构体的长度上限）。

内核使用page结构体描述一个物理页，内存的所有物理页对应一个page结构体数组。如果内存的物理地址空间不连续，存在很多空洞，称为稀疏内存。vmemmap区域是稀疏内存的page结构体数组的虚拟地址空间。

（3）PCI I/O区域的范围是[PCI_IO_START, PCI_IO_END)，长度是16MB，结束地址是PCI_IO_END = (VMEMMAP_START − 2MB)。

外围组件互联（Peripheral Component Interconnect，PCI）是一种总线标准，PCI I/O区域是PCI设备的I/O地址空间。

（4）固定映射区域的范围是[FIXADDR_START, FIXADDR_TOP)，长度是FIXADDR_SIZE，结束地址是FIXADDR_TOP = (PCI_IO_START − 2MB)。

固定地址是编译时的特殊虚拟地址，编译的时候是一个常量，在内核初始化的时候映射到物理地址。

（5） vmalloc区域的范围是[VMALLOCSTART, VMALLOC_END），起始地址是VMALLOC START，等于内核模块区域的结束地址，结束地址是VMALLOC_END = (PAGE_OFFSET − PUD_SIZE − VMEMMAP_SIZE − 64KB)，其中PUD_SIZE是页上级目录表项映射的地址空间的长度。

vmalloc区域是函数vmalloc使用的虚拟地址空间，内核使用vmalloc分配虚拟地址连续但物理地址不连续的内存。

内核镜像在vmalloc区域，起始虚拟地址是(KIMAGE_VADDR + TEXT_OFFSET) ，其中KIMAGE_VADDR是内核镜像的虚拟地址的基准值，等于内核模块区域的结束地址MODULES_END；TEXT_OFFSET是内存中的内核镜像相对内存起始位置的偏移。

（6）内核模块区域的范围是[MODULES_VADDR, MODULES_END)，长度是128MB，起始地址是MODULES_VADDR =（内核虚拟地址空间的起始地址 + KASAN影子区域的长度）。

内核模块区域是内核模块使用的虚拟地址空间。

（7）KASAN影子区域的起始地址是内核虚拟地址空间的起始地址，长度是内核虚拟地址空间长度的1/8。

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基于ARM64架构的Linux 4.x内核

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