linux内存管理2：内存映射和需求分页(英文名字：demand Paging，又叫：缺页中断)【转】

转自：http://blog.csdn.net/zhangxinrun/article/details/5873148

当某个程序映象开始运行时，可执行映象必须装入进程的虚拟地址空间。如果该程序用到了任何一个共享库，则共享库也必须装入进程的虚拟地址空间。实际上，Linux 并不将映象装入物理内存，相反，可执行文件只是被链接到进程的虚拟地址空间中(磁盘空间中)。随着程序的运行，被引用的程序部分会由操作系统装入物理内存。这种将映象链接到进程地址空间的方法称为“内存映射”。可执行映像.
每个进程的虚拟内存由一个 mm_struct 结构代表，我们将在下一章中详细讲述该结构。该结构中实际包含了当前执行映象的有关信息，并且包含了一组指向 vm_area_struct 结构的指针。如图 10-5 所示，每个 vm_area_struct 描述了一个虚拟内存区域的起点和终点、进程对内存的访问权限以及一个对内存的操作例程集。操作例程集是 Linux 操作该内存区域时所使用的例程集合。例如，当进程试图访问的虚拟内存当前不在物理内存当中时（通过页故障），Linux 就可以利用操作集中的一个例程执行正确的操作，在这种情况下为 nopage 操作。

图 10-5 vm_area_struct 数据结构示意图
当可执行映象映射到进程的虚拟地址空间时，将产生一组 vm_area_struct 结构来描述虚拟内存区域的起始点和终止点，每个 vm_struct 结构代表可执行映象的一部分，可能是可执行代码，也可能是初始化的变量或未初始化的数据。随着 vm_area_struct 结构的生成，这些结构所描述的虚拟内存区域上的标准操作函数也由 Linux 初始化。
某个可执行映象映射到进程虚拟内存中并开始执行时，因为只有很少一部分装入了物理内存，因此很快就会访问尚未装入物理内存的虚拟内存区域。这时，处理器将向 Linux 报告一个页故障及其对应的故障原因。
这种页故障的出现原因有两种，一是程序出现错误，例如向随机物理内存中写入数据，这种情况下，虚拟内存是无效的，Linux 将向程序发送 SIGSEGV 信号并终止程序的运行；另一种情况是，虚拟地址有效，但其所对应的页当前不在物理内存中，这时，操作系统必须从磁盘映象或交换文件中将内存装入物理内存。
那么，Linux 如何判断页故障发生时，虚拟内存地址是否是有效的呢？如前所述，Linux 利用 vm_area_struct 数据结构描述进程的虚拟内存空间，为了查找出现页故障虚拟内存相应的 vm_area_struct 结构的位置，Linux 内核同时维护一个由 vm_area_struct 结构形成的 AVL（Adelson-Velskii and Landis）树。利用 AVL 树，可快速寻找发生页故障的虚拟地址所在的内存页区域。如果搜索不到这一内存区域，则说明该虚拟地址是无效的，否则该虚拟地址是有效的。
也有可能因为进程在虚拟地址上进行的操作非法而产生页故障，例如在只读页中写入数据。这时操作系统会同样发送内存错误信号到该进程。有关页的访问控制信息（只读页、只写页、可读可写页、可执行代码页等）包含在页表项中。
对有效的虚拟地址，Linux 必须区分页所在的位置，即判断页是在交换文件中，还是在可执行映象中。为此，Linux 通过页表项中的信息区分页所在的位置。如果该页的页表项是无效的，但非空，则说明该页处于交换文件中，操作系统要从交换文件装入页（有关内存交换的内容在下一节中讲述）。否则，默认情况下，Linux 会分配一个新的物理页并建立一个有效的页表项；对于映象的内存映射来讲，则会分配新的物理页，更新页表项属性信息，并从映象中装入页。
这时，所需的页装入了物理内存，页表项也同时被更新，然后进程就可以继续执行了。这种只在必要时才将虚拟页装入物理内存的处理称为“需求分页”。
在处理页故障的过程中，因为要涉及到磁盘访问等耗时操作，因此操作系统会选择另外一个进程进入执行状态。