VMA 的定义：

struct vm_area_struct {
    struct mm_struct *vm_mm;     // 所属进程
    unsigned long vm_start;     // 起始地址（包含）
    unsigned long vm_end;       // 结束地址（不包含）
    pgprot_t vm_page_prot;      // 页面保护（r/w/x）
    unsigned long vm_flags;     // 标志位（VM_READ/VM_WRITE/VM_EXEC等）

    struct file *vm_file;       // 如果是文件映射，记录文件
    unsigned long vm_pgoff;     // 文件内的页偏移

    struct vm_operations_struct *vm_ops; // 操作函数指针
    unsigned long vm_private_data;       // 私有数据
};

一个典型的进程地址空间包含多个 VMA：

  0x0000000000400000 ~ 0x0000000000401000 : r-xp (代码段，elf)
  0x0000000000600000 ~ 0x0000000000601000 : rw-p (数据段)
  0x00007f0000000000 ~ 0x00007f0000200000 : rw-p [heap] (堆)
  0x00007fffc8c00000 ~ 0x00007fffc8c20000 : rw-p [stack] (栈)

关键 vm_flags：

VM_READ / VM_WRITE / VM_EXEC：
  - 页面的读写执行权限
  - 影响 PTE 中的 protection 位

VM_SHARED / VM_PRIVATE：
  - SHARED：映射对所有进程可见（文件映射 / 共享内存）
  - PRIVATE：写时复制（fork 后的 COW）

VM_GROWSDOWN：
  - 栈区域，栈可以向下扩展（glibc 的动态栈扩展）

VM_IO：
  - 设备 I/O 区域（ioremap）

VM_MAYREAD / VM_MAYWRITE / VM_MAYEXEC：
  - 权限上限（允许设置的权限上限）
  - 即使 vm_flags 中没有 READ，但如果 MAYREAD=1，可以通过 mprotect 添加

VM_DENYWRITE：
  - 拒绝写入（映射文件时设置）

mmap 系统调用的作用：

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset)

1. 创建新的 VMA
   - 内核分配一个新的 VMA 结构
   - 设置 vm_start ~ vm_end（基于 addr, length, flags）
   - 设置 vm_flags（基于 prot, flags）

2. 建立地址映射
   - 如果是文件映射（MAP_FILE）：vm_file = fd 对应的 file
   - 如果是匿名映射（MAP_ANON）：vm_file = NULL
   - 物理页面按需分配（demand paging）

3. 返回起始地址
   - 内核返回 vm_start 给用户程序

例子：
  mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE,
       MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

  → 创建匿名私有映射
  → VMA: vm_start=0x7f..., vm_end=vm_start+4096
  → vm_flags: VM_READ|VM_WRITE|VM_PRIVATE
  → vm_file: NULL

VMA 链表和红黑树：

Linux 中每个进程的 mm_struct 维护 VMA：

struct mm_struct {
    struct vm_area_struct *mmap;          // VMA 链表（按地址排序）
    struct rb_root mm_rb;                  // VMA 红黑树（O(log n) 查找）
    unsigned long mmap_base;               // mmap 基址
    unsigned long start_code, end_code;    // 代码段范围
    unsigned long start_data, end_data;    // 数据段范围
    unsigned long start_brk, brk;          // 堆范围
    unsigned long start_stack;             // 栈顶
};

查找：
  - 快速查找（给定地址）：从红黑树 O(log n)
  - 遍历所有 VMA：从链表（用于 proc 映射读取）

进程的堆（Heap）：

堆的起始地址 = start_brk
堆的结束地址 = brk

程序启动时（C runtime）：
  - start_brk = end_data（数据段结束）
  - brk = start_brk

malloc 底层：
  - < 128KB：brk() 扩展堆（调用 sbrk）
  - >= 128KB：mmap() 匿名映射（更灵活）

brk 系统调用：

int brk(void *addr);
  - 设置 brk = addr
  - 如果 addr > old brk：分配新的 VMA 或扩展现有 VMA
  - 如果 addr < old brk：收缩 VMA，释放页面

sbrk 系统调用：
  void *sbrk(int increment);
  - brk = brk + increment
  - 返回 old brk
  - glibc malloc 用 sbrk 实现小对象分配

堆的 VMA：
  0x0000000000600000 ~ 0x0000000000601000
  ↕
  start_brk                        brk
  VMA: rw-p, [heap]

栈的 VMA 特点：

栈 VMA 有特殊标志 VM_GROWSDOWN：
  - 允许栈向下扩展（向低地址）
  - 访问页面不在 VMA 内时，触发 page fault

栈扩展流程：

  程序访问 0x00007fffc8c0f000（栈）
  → 不在任何 VMA 内
  → 找到相邻的 VMA（栈）vm_flags & VM_GROWSDOWN
  → 检查扩展是否合法（不超过 RLIMIT_STACK）
  → 扩展 VMA：vm_start -= PAGE_SIZE
  → 分配物理页面，建立页表映射
  → 返回

RLIMIT_STACK 控制栈的最大大小：
  $ ulimit -s      // 查看当前限制（KB）
  $ ulimit -s 8192 // 设置为 8MB

查看进程地址空间：

$ cat /proc/self/maps

00400000-00404000 r-xp /bin/cat                    ← 代码段（可执行，私有）
00600000-00601000 rw-p 00000000 00:00 0            ← 数据段（读写，私有）
7ffd8c000000-7ffd8c020000 rw-p 00000000 00:00 0    ← 堆（匿名，私有，可读写）
7ffd8c020000-7ffd8c0a0000 ---p 00000000 00:00 0    ← 保护页（guard page，无权限）
7fffc8c00000-7fffc8c02000 rw-p [stack]             ← 栈（可读写，私有）
ffff8800000000-ffff8880000000 r-xp 00000000 00:00 0 [vsyscall] ← vsyscall（64-bit）

格式：
  start-end    rwx p offset  major:minor  inode  pathname

字段解释：
  start ~ end：VMA 地址范围
  rwx：vm_flags（r=读, w=写, x=执行, p=private, s=shared）
  offset：文件映射的偏移
  major:minor：设备号（文件映射）
  inode：文件的 inode（文件映射）
  pathname：映射的文件或匿名区域

匿名映射：[heap], [stack], [vsyscall], [vdso], [vvar]