在Linux系统中，每个进程都被赋予了一个4GB的虚拟地址空间，这是基于32位体系结构的。

Question

你好，我是新手Linux内核开发者。所以想要对以下陈述有一些清晰的理解。

*> 在内存中，每个进程被赋予4GB的虚拟地址空间

考虑到32位架构。低3GB虚拟地址可以访问进程的用户空间部分，而高1GB可以访问内核空间部分。

1. 这是否意味着Linux中的每个进程都被分配了1GB+3GB的内存空间？
2. 如果是的话，那么Linux中有数百个进程，系统从哪里获得如此多的内存空间？
3. 它与内核栈和用户栈有什么关系？
4. Linux中的每个进程是否都有内核和用户栈？

- Dpk

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你应该学习虚拟内存是如何工作的。计算机有实际的物理内存（即RAM），还有一种叫做虚拟内存的映射方式（指向可能存在或不存在的RAM）。4GB是映射的限制，不必完全使用。 - myaut

Answer 1

介绍

Linux和大多数现代操作系统一样，使用由大多数现代架构提供的虚拟页。其中包括x86系列。

在具有虚拟内存的系统中，物理内存（实际RAM资源）与运行在系统上的进程是相互独立的。地址空间只是内存可能存在的所有数字。

分页

内存可以映射（放置在一个地址上）到页面，它是内存块的体系结构相关大小。因此，如果您想将内存放置在某个地址上以便进程可以使用它，那么您必须选择一个对齐页面的数字（页面大小的倍数），并至少在那里放置一个页面。

保护

虚拟内存也允许内存保护，从而设置进程将具有的权限。当映射进程的可执行内存（执行操作的指令）时，它是只读/执行的。这意味着处理器可以执行该内存，您可以读取它，但是您不能写入它。

当从磁盘加载进程时（在Linux中使用exec系统调用），它会被放置在内存中，已经映射了几个内存区域。这些区域是程序的可执行代码、数据部分和堆栈。进程可以通过使用mmap或brk系统调用来请求映射更多内存。

当进程尝试访问它没有映射的内存时，它会触发臭名昭著的SEGFAULT错误，并且内核将终止您的程序。其他情况下，硬件会发生故障，但程序已经有了映射的内存，这是因为内核取消了映射以将其保存到需要时再重新映射。在这里发生的情况是进程停止运行，内核重新映射内存，您的进程再次开始运行，就像什么都没发生过一样。

地址空间

因此，地址空间的大小只是如果程序将每个可能的地址都映射到实际RAM内存，则内存的上限。

内核部分的1GB地址空间与内核跟踪的进程元数据有关。例如，它将在进程标题中保留打开的文件列表和映射内存。它还将在那里保留线程标题。同样，仅映射所需的内容，而不是全部。

请注意，每个进程都有自己的地址空间，它从不看到其他进程在这些地址上映射了什么。这样，进程可以像是机器上唯一的进程一样运行，将内存映射到任何所选地址。

还要注意，4GB数字是因为进行寻址的硬件仅支持32位数字，32位数字可以容纳的最大数字是2^32= 4,294,967,296。这是4GB。因此，只能将4GB的地址映射到内存中。

这只是一个糟糕的介绍，请在虚拟内存上做一些搜索。

- cptaffe

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@Dpk 关于堆栈大小的问题。我认为你可能在考虑8MB，这是内核对堆栈大小的限制。当程序启动时，它会被分配一些页面用于堆栈。为了节省内存，它不会立即映射所有的堆栈页面，而是会随着堆栈的增长而增长。堆栈位于高地址，并向低地址增长。当你的程序尝试访问低于内核已映射内存的内存时，内核将映射更多的内存（与“SEGFAULT”硬件中断相同，只是内核将映射更多的内存）。也就是说，直到达到一个限制（8MB）。 - cptaffe

@Dpk 还要注意，内核1GB被映射到相同的内核RAM内存（一些是特定于核心的）（可能并非全部都被映射，内核可能比1GB小，或者有些可能没有分页）。还要注意，内核可以将内存分页到磁盘中进行换入/换出。因此，在进程切换之间未映射的内存会发生这种情况。其中一些可能会保留在内存中，一些可能会在许多进程之间共享（例如共享库）。 - cptaffe

如果每个进程都尝试映射一堆内存，直到使用时许多进程实际上不会被分页。一旦可用的内存资源（RAM和磁盘（交换））耗尽，OOM（内存不足）杀手就会介入并杀死进程。当太多的Chrome标签页杀死Spotify或其他东西时，在较小的内存系统上实际上经常发生这种情况。此外，一旦实际的RAM内存用完，将使用更多的交换空间。（对于长评论链感到抱歉） - cptaffe

还有一个问题，如何知道进程线程用户栈的大小。如果一个进程有大约400MB的数据，另一个进程有800MB的数据，还有其他一些进程，那么操作系统会如何暂存这些数据。 例如，如果一个Firefox被换出，则它认为3GB的空间只分配给了自己， 如果Chrome进来了，它会先将Firefox换出并将其暂存。 那么Firefox的数据在哪里暂时存储，以便在未来再次换入时可以使用？ - Dpk

@Dpk 如果我理解正确，您正在询问当一个进程被换出时存储在内存中的数据会发生什么。如果Chrome和Firefox都使用了几乎所有可用的内存（约3GB），那么操作系统不能像在有多余内存的情况下那样将其留在RAM中但未映射到进程。在这种情况下，操作系统将内存交换到磁盘上，使用交换分区或交换文件。这就是为什么一个进程可以使用3GB的内存，即使您的系统只有2GB的RAM，操作系统会根据需要进行交换（尽管交换需要时间，因此速度会慢一些）。 - cptaffe

Answer 2

这是关于编程的内容。每个进程在Linux中被分配了1GB+3GB的内存空间吗？不是的。所有进程共享同一内核空间。此外，这些是最大理论限制。它们可以通过系统设置、进程设置和页面文件大小进一步限制。即使系统允许进程增长到最大值，进程通常也会从小开始，并且必须增长到达到最大值。

如果是这样，那么Linux中有数百个进程，那么系统从哪里获取如此多的内存空间呢？请参见上文。如果允许，这样的内存空间将在页面文件（分区）中。

这与内核堆栈和用户堆栈有什么关系？它们是独立的堆栈。内核堆栈位于内核空间，用户堆栈位于用户空间。处理器在内核模式下执行时使用内核堆栈，在用户模式下使用用户堆栈。切换是自动的，作为硬件在模式之间切换的一部分。

Linux中的每个进程都有内核和用户堆栈吗？是的。每个线程都有一个。内核堆栈往往很小。

- user3344003

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内核栈大小限制为8KB的原因是什么？它与1GB空间有什么关系？另外，如何知道进程用户堆栈的大小？ - Dpk

我相信Linux将内核栈限制为2页（8KB）。内核栈执行的是相对简单的操作，因此不需要太大。所有内核栈都位于1GB系统空间内。线程或进程的堆栈大小可以更改。 - user3344003

如何在Linux中了解进程/线程的用户栈大小。 - Dpk