【操作系统百科】虚拟内存模型

子系列 D 开篇。虚拟内存（VM）是一套给进程假象的机制：每个进程以为自己独占整块大地址空间，实际由硬件 MMU + 内核页表管理把 VA 映射到 PA，或根本没映射。这套抽象支撑了隔离、保护、swap、mmap、COW、共享库。本文讲它的整体模型。

一、先看全景

flowchart LR
    CODE[进程代码<br/>访问 VA] --> MMU[MMU/TLB]
    MMU -->|命中| PA[物理地址]
    MMU -->|miss| WALK[page walk<br/>读页表]
    WALK --> PT[多级页表 CR3/TTBR]
    PT -->|present| PA
    PT -->|!present| PF[缺页 #PF]
    PF --> KMM[内核 mm<br/>handle_mm_fault]
    KMM -->|anon/file/swap/cow| FILLPT[填 PTE]
    FILLPT --> MMU
    classDef sw fill:#388bfd22,stroke:#388bfd,color:#adbac7;
    classDef hw fill:#3fb95022,stroke:#3fb950,color:#adbac7;
    classDef err fill:#f0883e22,stroke:#f0883e,color:#adbac7;
    class CODE,KMM,FILLPT sw
    class MMU,PT,PA hw
    class PF err

二、VM 给了什么

1. 进程隔离：A 进程看不见 B 进程的内存
2. 保护：内核空间、只读段、NX 段受 MMU 强制
3. 大地址空间：64 位下有 128TB+ 用户空间，远大于物理 RAM
4. mmap 语义：文件映射、匿名映射、共享/私有
5. COW：fork 不复制物理页，写时再分离
6. Demand paging：不访问的地址根本不分物理页
7. Swap：物理压力大时把冷页换到磁盘

三、代价

• 硬件成本：MMU、TLB、多级页表；每次访问要翻译
• 软件成本：缺页处理、TLB shootdown、页表维护
• 内存碎片：虚拟连续不代表物理连续，大页需要 compaction
• 安全副作用：Meltdown/Spectre 利用地址翻译的微架构侧信道

四、地址空间布局（x86_64 Linux）

0x0000_0000_0000_0000  ┌─────────────────┐
                       │ NULL guard      │
                       ├─────────────────┤
                       │ text (.text)    │ 可执行代码
                       ├─────────────────┤
                       │ data/bss        │ 全局/静态
                       ├─────────────────┤
                       │ heap (brk)      │ 向上生长
                       │       ↓         │
                       │                 │
                       │ mmap 区         │ 向下生长（glibc）
                       │       ↑         │
                       │                 │
                       ├─────────────────┤
                       │ stack           │ 向下生长
0x0000_7fff_ffff_ffff  ├─────────────────┤
                       │ 非规范空洞       │ 47 位有效
0xffff_8000_0000_0000  ├─────────────────┤
                       │ 内核空间        │
0xffff_ffff_ffff_ffff  └─────────────────┘

5 级分页（LA57）扩展到 57 位，上限到 128PB，但默认不开启。

查看实际布局：cat /proc/$$/maps。

五、mmap 的四个象限

                         shared (MAP_SHARED)    private (MAP_PRIVATE)
file-backed (fd)    ┌──────────────────────┬──────────────────────┐
                    │ 对文件可见的共享内存 │ COW 私有映射（如 .so）│
                    │ 如 DB data file       │ 读共享，写分家        │
                    ├──────────────────────┼──────────────────────┤
anonymous           │ POSIX shm /           │ 普通 malloc 大块      │
 (MAP_ANONYMOUS)    │ 父子 fork 后仍共享    │ 堆扩展               │
                    └──────────────────────┴──────────────────────┘

关键 flag：MAP_POPULATE（提前分配）、MAP_LOCKED（mlock）、MAP_HUGETLB、MAP_FIXED_NOREPLACE。

六、page 的状态机

一个物理页可能处于：

• free：buddy 空闲列表里
• anon：匿名映射（malloc/stack/heap）
• file：page cache 里的文件页
• slab：内核对象分配器
• reserved：固件/硬件保留
• PageDirty：需回写
• PageWriteback：正在 I/O

/proc/meminfo 给宏观分类；page_owner、page-types 给细粒度。

七、overcommit

Linux 允许”超额承诺”：malloc 拿到 VA 不立刻分物理页。策略：

vm.overcommit_memory
  = 0   启发式（默认）：大分配拒绝，小的允许
  = 1   从不拒绝（所有 malloc 都成功）
  = 2   严格：按 CommitLimit = swap + RAM*ratio
vm.overcommit_ratio    默认 50

争议：

• 0 = 启发式：不可预测
• 1：OOM Killer 来救场，容器推荐
• 2：不会 OOM，但 malloc 会失败；金融/HFT 选这个

八、COW：fork 的灵魂

fork() 复制 mm_struct + VMA，但不复制物理页——所有页标只读，任一方写触发 #PF → 分一份私有页，把写的这页 COW 出来。

parent: [VA=0x1000] -----> PA=X (RO)
child:  [VA=0x1000] -----> PA=X (RO)
// child 写 → #PF → 分配 PA=Y，copy X→Y，child PTE 改成 PA=Y (RW)

fork+exec 热路径里 99% 的页根本不会被写（马上 exec 就释放了），COW 把 fork 从”O(工作集大小)“降到”O(VMA 个数)“。

九、保护与特权

PTE 里的控制位：

• R/W：可写
• U/S：用户/内核
• NX/XD：不可执行
• PKU（x86）、MTE（ARM）：内存着色
• G（global）：跨进程保留 TLB

内核靠这些 bit 实现：

• 用户态不能读内核页（Meltdown 前提下的缓解：KPTI）
• 只读段真只读（崩溃而不是静默损坏）
• NX bit 阻挡栈上执行 shellcode
• pkey 可做 per-thread 内存隔离（glibc 的 memprotect_key）

十、mmap 工程要点

• 大文件逐段处理：mmap + madvise(SEQUENTIAL) 比 read 省上下文切换
• MAP_POPULATE 避免第一次访问大批 #PF 抖动（但增加启动时间）
• madvise(DONTNEED) 把脏匿名页直接丢（注意匿名页丢了内容就没了）
• mlock 防换出，要求 CAP_IPC_LOCK 或 RLIMIT_MEMLOCK
• shared mmap + msync 的持久化语义不强，DB 不能靠 msync 当 fsync 用

十一、观察与诊断

cat /proc/$$/maps              # VMA 列表
cat /proc/$$/smaps             # 每 VMA 的 RSS/PSS/Swap/...
cat /proc/$$/status | grep Vm  # VmPeak/VmRSS/VmSwap
pmap -x $$                     # 友好版
vmtouch /path/file             # 看文件缓存状态

观察 overcommit：

grep -E "Commit(Limit|Allocated|ed_AS)" /proc/meminfo

十二、小结

• VM = 假象 + 保护 + 按需分配
• mmap 四象限覆盖绝大多数用法
• overcommit 是 Linux 特色，选哪档看业务对 OOM 的容忍度
• COW 是 fork/exec 能工作的前提
• 一切从 PTE bit 和 mm_struct 开始；后续子系列 D 的每一篇都是在放大其中一角

参考文献

• Gorman, M. “Understanding the Linux Virtual Memory Manager.” (第 3-7 章基础仍有效)
• Bovet & Cesati, “Understanding the Linux Kernel” 3rd §2/8/9
• Documentation/admin-guide/mm/、Documentation/vm/
• Corbet, J. “The (updated) anatomy of address spaces.” LWN.net 2021

工具

• /proc/$$/maps、/proc/$$/smaps
• pmap、vmtouch、numastat
• perf mem、page-types
• bpftrace -e 'tracepoint:exceptions:page_fault_user { @[comm]=count(); }'

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