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鸿蒙内核内存管理机制从进程和线程视角分析

概述

鸿蒙内核的内存管理机制涉及多个复杂概念，尤其是从进程和线程的角度来看，内存管理的实现细节尤为重要。本文将从进程和线程的创建视角，深入剖析鸿蒙内核内存管理的运作机制。

进程内存描述符LosVmSpace

进程使用的内存由LosVmSpace结构体描述，内部包含多个虚拟存储区域（region）。Linux内核从2.4.10版本起，采用红黑树（regionRbTree）组织虚拟区，提升操作效率。LosVmSpace还维护物理地址映射相关的信息，确保进程能够在用户空间和内核空间之间切换。

结构体定义

typedef struct LosVmSpace {    LOS_DL_LIST        node;       /* vm space dl list */    LOS_DL_LIST        regions;    /* region dl list */    LosRbTree          regionRbTree;/* region红黑树根 */    LosMux            regionMux;  /* region list_mutex */    VADDR_T           base;       /* vm space base address */    UINT32            size;       /* vm space size */    VADDR_T           heapBase;    /* heap base address */    VADDR_T           heapNow;     /* heap base address */    LosVmMapRegion    *heap;      /* heap region */    VADDR_T           mapBase;    /* mapping area base */    UINT32            mapSize;    /* mapping area size */    LosArchMmu        archMmu;    /* vm mapping物理内存 */    #ifndef LOSCFG_DRIVERS_TZDRIVER    VADDR_T           codeStart;   /* user process code area start */    VADDR_T           codeEnd;     /* user process code area end */    #endif} LosVmSpace;

分区机制

LosVmSpace将内存划分为多个虚拟存储区域，主要分为以下几种类型：

用户态进程初始化与内存分配

所有用户程序的父进程都是由init进程发fork而来的。本文将重点分析init进程的内存初始化过程，以及如何为进程分配初始栈和堆空间。

栈和堆分配

在进程创建时，首先需要分配栈空间和堆空间。栈用于存储函数调用信息（如返回地址、局部变量等），而堆则用于动态内存分配。

栈分配代码

static Void* OsUserInitStackAlloc(UINT32 processID, UINT32* size) {    LosVmMapRegion* region = NULL;    LosProcessCB* processCB = OS_PCB_FROM_PID(processID);    UINT32 stackSize = ALIGN(OS_USER_TASK_STACK_SIZE, PAGE_SIZE);    region = LOS_RegionAlloc(processCB->vmSpace, 0, stackSize,                            VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_USER | VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_READ | VM_MAP_REGION_FLAG_PERM_WRITE,                            0);    if (region == NULL) {        return NULL;    }    LOS_SetRegionTypeAnon(region);    region->regionFlags |= VM_MAP_REGION_FLAG_STACK;    *size = stackSize;    return (Void*)(UINTPTR)region->range.base;}

堆分配代码

typedef struct VmMapRegion {    LosRbNode         rbNode;      /* 区域红黑树节点 */    LosVmSpace        *space;       /* 所属虚拟内存空间 */    LOS_DL_LIST       node;         /* 区域双向链表节点 */    VmMapRange         range;        /* 区域地址范围 */    VM_OFFSET_T       pgOff;       /* 区域相对于文件的页移位 */    UINT32           regionFlags;   /* 区域标志 */    UINT32           shmid;        /* 区域的共享内存ID */    UINT8            protectFlags;  /* 保护标志 */    UINT8            forkFlags;     /* 复制模式 */    UINT8            regionType;    /* 区域类型：anon，file，dev */    union {        struct VmRegionFile { /* 跟踪信息，省略详细内容 */ };        struct VmRegionAnon { /* 匿名内存结构，省略详细内容 */ };        struct VmRegionDev { /* 设备内存结构，省略详细内容 */ };    } unTypeData;} VmMapRegion;

记录初始化与地址映射

在用户进程初始化时，首先需要加载代码和数据段。这些段由内核映射到虚拟地址空间中，确保用户程序可以正常运行。具体来说，Los_VaddrToPaddrMmap函数负责将用户虚拟地址映射到物理地址。

进程启动

最后，通过OS_UserInitProcessStart函数启动新的用户任务，任务入口函数指向应用程序的main函数。

相关概念解析

逻辑地址（Logical Address）

逻辑地址是程序使用的内存 references，通常是段中的偏移地址。例如，在C语言中使用指针时，指针的值即为逻辑地址。逻辑地址在保护模式下与物理地址不同，需要通过页表和段表进行转换。

线性地址（Linear Address）

线性地址是逻辑地址与物理地址之间的中间层。在分页或分段机制启用时，线性地址会被转换为物理地址。例如，在无分页机制的情况下，线性地址就是物理地址。

物理地址（Physical Address）

物理地址是CPU访问内存的最终地址，与地址总线相连接。无论是单个字节还是多个字节，物理地址都直接对应外存器的物理位置。

虚拟内存（Virtual Memory）

虚拟内存是操作系统为程序提供的逻辑内存扩展功能，使得程序可以运行于远超系统物理内存的虚拟空间中。通过交换、分页和页面技术，虚拟内存管理内存资源极为复杂。

总结

从进程和线程的视角分析鸿蒙内核的内存管理机制，核心是理解如何为进程分配和管理内存区域。本文从初始进程创建、内存分配到栈和堆、以及地址转换等方面展开讨论，为深入理解鸿蒙内核内存管理奠定基础。