深入解析Linux内核：进程地址空间的设计与实现

虚拟地址空间是指每个进程能够访问的内存地址范围，是一个连续的虚拟内存区间。每个进程拥有独立的地址空间，确保了进程间的隔离性。虚拟地址空间的引入解决了早期计算机直接在物理内存上运行程序带来的地址空间冲突、内存保护等问题。在Linux系统中，虚拟地址空间通常被划分为用户空间和内核空间，其中用户空间占用3GB，内核空间占用1GB。地址空间通过页表映射到物理内存，涉及两种主要的映射关系：一是将虚拟地址空间与可执行文件对应；二是将虚拟地址空间的各页映射到具体的物理地址。

详细参考资料：虚拟地址空间详解

`mm_struct` 是Linux内核中用于表示进程地址空间的数据结构。它包含了进程地址空间的关键信息，如代码段、数据段的起始和结束地址等。`mm_struct` 通过 `allocate_mm()` 宏从SLAB缓存中分配，并存储在进程描述符 `task_struct` 的 `mm` 域中。值得注意的是，内核线程没有独立的地址空间，因此其 `mm` 域为空。`mm_struct` 中还包含了 `mmap` 和 `mm_rb` 两个数据结构，分别用于高效遍历和搜索内存区域。

参考资料：Linux内存管理之slab 2: slab API

在Linux内核中，用户进程和内核线程都是 `task_struct` 的实例，但内核线程没有独立的地址空间。内核线程的 `mm` 域为空，表示其不访问用户空间的内存。然而，内核线程仍需通过页表访问内核空间。为此，内核会借用最近被调度的用户进程的 `mm_struct` 中的页表来访问内核地址。用户进程的 `mm` 域和 `active_mm` 域相同，而内核线程的 `mm` 域为空，`active_mm` 域则指向借用的用户进程的 `mm_struct`。

进程地址空间的分配主要通过 `allocate_mm()` 宏实现，该宏从SLAB缓存中分配 `mm_struct` 结构。具体实现可以在 `kernel/fork.c` 文件中查看。分配过程中使用 `GFP_KERNEL` 作为分配标志，确保在内核模式下进行分配。通过查询 `/proc/slabinfo` 文件可以查看 `mm_struct` 缓存的状态。

虚拟内存区域（VMA）是Linux内核中表示进程地址空间中一段连续内存的结构。每个 VMA 对应一个 `vm_area_struct` 结构，包含该区域的起始地址、结束地址、访问权限等信息。VMA 通过链表和红黑树两种数据结构组织，分别用于高效遍历和搜索。

地址空间中的虚拟地址需要通过页表映射到物理地址。页表是一种多级数据结构，Linux系统中通常使用三级页表（PGD、PMD、PTE）。其中，PGD 是全局页目录，PMD 是中间页目录，PTE 是页表项，它们共同完成了从虚拟地址到物理地址的转换。

参考资料：页表结构图解