Linux操作系统之进程空间管理的用户态和内核态是如何划分的？

Posted 2023-02-21 Dufre.WC

前言

操作系统对我来说很抽象的，学了几年，工作中天天打交道，却不懂它。偶然听了极客时间的一门课（这里就不打广告了），很有启发。其实操作系统就好比一个公司：

• 进程管理：可以理解为公司的项目管理
• 内存管理：可以理解为公共资源的管理，比如会议室
• 文件系统：可以理解为项目开发过程中文档的管理
• 输入输出系统：可以理解为售前售后体系

本篇文章主要有以下内容：

• 进程空间管理之用户态和内核态是如何划分的

用户态和内核态的划分

进程task_struct里面有一个struct mm_struct的结构来管理内存

struct mm_struct **mm;

在struct mm_struct里面，有一个成员变量：

//size of task vm space
unsigned long task_size;  

在32位系统中，内核是这样定义TASK_SIZE的：

#ifdef CONFIG_X86_32
/*
 * User space process size: 3GB (default).
 */
#define TASK_SIZE    PAGE_OFFSET
#define TASK_SIZE_MAX    TASK_SIZE
/*
config PAGE_OFFSET
        hex
        default 0xC0000000
        depends on X86_32
*/
#else
/*
 * User space process size. 47bits minus one guard page.
*/
#define TASK_SIZE_MAX  ((1UL << 47) - PAGE_SIZE)
#define TASK_SIZE    (test_thread_flag(TIF_ADDR32) ? \\
          IA32_PAGE_OFFSET : TASK_SIZE_MAX)

当执行一个新的进程的时候，会做以下的设置：

current->mm->task_size = TASK_SIZE;

对于32位系统，最大能够寻址2^32=4G，其中用户态虚拟地址空间是32G，内核态是1G。
对于64位系统，虚拟地址只使用了48位。1左移了47位，就相当于48位地址空间一半的位置，0x0000800000000000，然后减去一个页，就是0x00007FFFFFFFF000，共128T。同样，内核空间也是128T。内核空间和用户空间之间隔着很大的空隙，以此来隔离。