進(jìn)程地址空間

• 1 內(nèi)存描述符
• • 分配內(nèi)存描述符
  • 銷毀內(nèi)存描述符
  • mm_struct與內(nèi)核線程
• 2 內(nèi)存區(qū)域
• • VMA標(biāo)志
  • VMA操作
  • 內(nèi)存區(qū)域的樹形結(jié)構(gòu)和內(nèi)存區(qū)域的鏈表結(jié)構(gòu)
• 3 操作內(nèi)存區(qū)域
• • find_vma()
  • find_vma_prev()
  • find_vma_intersection()
• 4 mmap()和do_mmap()：創(chuàng)建地址空間
• • mmap（） 系統(tǒng)調(diào)用
• 5 munmap()和do_munmap()：刪除地址空間
• • munmap()系統(tǒng)調(diào)用
• 6 頁表

內(nèi)核除了管理本身的內(nèi)存外，還必須管理進(jìn)程的地址空間，也就是系統(tǒng)中每個(gè)用戶空間地址所看到的內(nèi)存。Linux操作系統(tǒng)采用虛擬內(nèi)存計(jì)數(shù)，因此，系統(tǒng)中的所有進(jìn)程之間以虛擬方法共享內(nèi)存，對(duì)每個(gè)進(jìn)程來說，它們好像都可以訪問整個(gè)系統(tǒng)的所有物理內(nèi)存。

進(jìn)程地址空間由每個(gè)進(jìn)程中的線性地址區(qū)組成，而且更為重要的特定是內(nèi)核允許進(jìn)程使用該空間中的地址。每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)32位或64位的flat地址空間，空間的具體大小取決于體系結(jié)構(gòu)，flag地址空間是指地址空間范圍是一個(gè)獨(dú)立的連續(xù)空間（比如，地址從0擴(kuò)展到429496729位地址空間）。一些操作系統(tǒng)提供了段地址空間，這種地址空間并非是一個(gè)獨(dú)立的線性區(qū)域，而是被分段的，但現(xiàn)代采用虛擬內(nèi)存的操作系統(tǒng)通常都使用flat地址空間而不是分段式的內(nèi)存模式。通常情況下，每個(gè)進(jìn)程都有唯一的這種flat地址空間，而進(jìn)程地址空間之間彼此互不相干，兩個(gè)不同的進(jìn)程可以在它們各自地址空間的相同地址內(nèi)存放不同的數(shù)據(jù)。進(jìn)程之間也可以選擇共享地址空間，我們稱這樣的進(jìn)程為線程。

1 內(nèi)存描述符

內(nèi)核使用內(nèi)存描述符結(jié)構(gòu)體表示進(jìn)程的地址空間，該結(jié)構(gòu)包含了和進(jìn)程地址空間有關(guān)的全部信息。內(nèi)存描述符由mm_struct結(jié)構(gòu)體表示，定義在文件linux/sched.h中。

struct mm_struct {struct vm_area_struct * mmap; /* list of VMAs */struct rb_root mm_rb;struct vm_area_struct * mmap_cache; /* last find_vma result */unsigned long (*get_unmapped_area) (struct file *filp,unsigned long addr, unsigned long len,unsigned long pgoff, unsigned long flags);void (*unmap_area) (struct vm_area_struct *area);unsigned long mmap_base; /* base of mmap area */unsigned long free_area_cache; /* first hole */pgd_t * pgd;atomic_t mm_users; /* How many users with user space? */atomic_t mm_count; /* How many references to "struct mm_struct" (users count as 1) */int map_count; /* number of VMAs */struct rw_semaphore mmap_sem;spinlock_t page_table_lock; /* Protects page tables, mm->rss, mm->anon_rss */struct list_head mmlist; /* List of maybe swapped mm's. These are globally strung* together off init_mm.mmlist, and are protected* by mmlist_lock*/unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data;unsigned long start_brk, brk, start_stack;unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end;unsigned long rss, anon_rss, total_vm, locked_vm, shared_vm;unsigned long exec_vm, stack_vm, reserved_vm, def_flags, nr_ptes;unsigned long saved_auxv[42]; /* for /proc/PID/auxv */unsigned dumpable:1;cpumask_t cpu_vm_mask;/* Architecture-specific MM context */mm_context_t context;/* Token based thrashing protection. */unsigned long swap_token_time;char recent_pagein;/* coredumping support */int core_waiters;struct completion *core_startup_done, core_done;/* aio bits */rwlock_t ioctx_list_lock;struct kioctx *ioctx_list;struct kioctx default_kioctx; };

mm_users域記錄正在使用該地址的進(jìn)程數(shù)目。比如，有兩個(gè)進(jìn)程共享該地址空間，那么mm_users的值便等于2；mm_count是mm_struct的主引用計(jì)數(shù)，只要mm_users不為0，那么mm_count值就等于1。當(dāng)mm_users的值減為0時(shí)，mm_count域的值才為0，如果mm_count的值等于0，說明已經(jīng)沒有任何指向該mm_struct結(jié)構(gòu)體的引用了，這個(gè)時(shí)候該結(jié)構(gòu)體會(huì)被銷毀。
mmap和mm_rb這兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述的對(duì)象是相同的：該地址空間中的全部?jī)?nèi)存區(qū)域。但是mmap是以鏈表形式存放而后者以紅-黑樹形式存放。mmap結(jié)構(gòu)體作為鏈表，利于簡(jiǎn)單、高效地遍歷所有元素，而mm_rb結(jié)構(gòu)體更適合搜索指定元素。
所有的mm_struct結(jié)構(gòu)體都通過自身的mmlist域連接在一個(gè)雙向鏈表中，該鏈表的首元素是init_mm內(nèi)存描述符，它代表init進(jìn)程的地址空間，內(nèi)存描述符的總數(shù)存放在mmlist_nr全局變量中，該變量定義在kernel/fork.c中。

分配內(nèi)存描述符

在進(jìn)程的struct task_struct進(jìn)程描述符中，mm域存放著該進(jìn)程使用的內(nèi)存描述符，所以current->mm便指向當(dāng)前進(jìn)程的內(nèi)存描述符。fork函數(shù)利用copy_mm()函數(shù)復(fù)制父進(jìn)程的內(nèi)存描述符，也就是current->mm域給其子進(jìn)程，而子進(jìn)程中的mm_struct結(jié)構(gòu)體實(shí)際是通過文件kernel/fork.c中的allocate_mm()宏從mm_cachep slab緩存中分配得到的。

如果父進(jìn)程希望和其子進(jìn)程共享地址空間，可以在調(diào)用clone()時(shí)，設(shè)置CLONE_VM標(biāo)志。我們把這樣的進(jìn)程稱作線程。當(dāng)CLONE_VM被指定后，內(nèi)核就不再需要調(diào)用allocate_mm()函數(shù)了，而僅僅需要在調(diào)用copy_mm()函數(shù)中將mm域指向其父進(jìn)程的內(nèi)存描述符就可以了。

銷毀內(nèi)存描述符

當(dāng)進(jìn)程退出時(shí)，內(nèi)核會(huì)調(diào)用exit_mm函數(shù)，該函數(shù)執(zhí)行一些常規(guī)的銷毀工作，同時(shí)更新一些統(tǒng)計(jì)量。其中，該函數(shù)會(huì)調(diào)用mmput()函數(shù)減少內(nèi)存描述符的mm_users用戶計(jì)數(shù)，如果mm_users降到0，繼續(xù)調(diào)用mmdrop()函數(shù)，減少mm_count，如果mm_count也等于0了，說明該內(nèi)存描述符不再有任何使用者了，那么調(diào)用free_mm宏通過kmem_cache_free()將mm_struct結(jié)構(gòu)體歸還到mm_cachep_slab緩存中。

mm_struct與內(nèi)核線程

內(nèi)核線程沒有進(jìn)程地址空間，也沒有相關(guān)的內(nèi)存描述符，所以內(nèi)核線程對(duì)應(yīng)的進(jìn)程描述符中mm域?yàn)榭铡?/p>

當(dāng)一個(gè)進(jìn)程被調(diào)度時(shí)，該進(jìn)程的mm域指向的地址空間被裝載到內(nèi)存，進(jìn)程描述符中的active_mm域會(huì)被更新，指向新的地址空間。內(nèi)核線程沒有地址空間，所以mm域?yàn)镹ULL，于是當(dāng)一個(gè)內(nèi)核線程被調(diào)用時(shí)，就會(huì)保留前一個(gè)進(jìn)程的地址空間，隨后內(nèi)核更新內(nèi)核線程對(duì)應(yīng)的進(jìn)程描述符中的active_mm域，使其指向前一個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存描述符。

2 內(nèi)存區(qū)域

內(nèi)存區(qū)域由vm_area_struct結(jié)構(gòu)體描述，定義在文件linux/mm.h中，內(nèi)存區(qū)域在內(nèi)核中也經(jīng)常被稱作虛擬內(nèi)存區(qū)域或VMA。
vm_area_struct結(jié)構(gòu)體描述了指定地址空間內(nèi)連續(xù)區(qū)間上的一個(gè)獨(dú)立內(nèi)存范圍。內(nèi)核將每個(gè)內(nèi)存區(qū)域作為一個(gè)單獨(dú)的內(nèi)存對(duì)象管理，每個(gè)內(nèi)存區(qū)域都擁有一致的屬性，

struct vm_area_struct {struct mm_struct * vm_mm; /* The address space we belong to. */unsigned long vm_start; /* Our start address within vm_mm. */unsigned long vm_end; /* The first byte after our end addresswithin vm_mm. *//* linked list of VM areas per task, sorted by address */struct vm_area_struct *vm_next;pgprot_t vm_page_prot; /* Access permissions of this VMA. */unsigned long vm_flags; /* Flags, listed below. */struct rb_node vm_rb;/** For areas with an address space and backing store,* linkage into the address_space->i_mmap prio tree, or* linkage to the list of like vmas hanging off its node, or* linkage of vma in the address_space->i_mmap_nonlinear list.*/union {struct {struct list_head list;void *parent; /* aligns with prio_tree_node parent */struct vm_area_struct *head;} vm_set;struct prio_tree_node prio_tree_node;} shared;/** A file's MAP_PRIVATE vma can be in both i_mmap tree and anon_vma* list, after a COW of one of the file pages. A MAP_SHARED vma* can only be in the i_mmap tree. An anonymous MAP_PRIVATE, stack* or brk vma (with NULL file) can only be in an anon_vma list.*/struct list_head anon_vma_node; /* Serialized by anon_vma->lock */struct anon_vma *anon_vma; /* Serialized by page_table_lock *//* Function pointers to deal with this struct. */struct vm_operations_struct * vm_ops;/* Information about our backing store: */unsigned long vm_pgoff; /* Offset (within vm_file) in PAGE_SIZEunits, *not* PAGE_CACHE_SIZE */struct file * vm_file; /* File we map to (can be NULL). */void * vm_private_data; /* was vm_pte (shared mem) */#ifdef CONFIG_NUMAstruct mempolicy *vm_policy; /* NUMA policy for the VMA */ #endif };

每個(gè)內(nèi)存描述符都對(duì)應(yīng)于進(jìn)程地址空間的唯一區(qū)間，vm_start域指向區(qū)間的首地址，vm_end域指向區(qū)間的尾地址之后的第一個(gè)字節(jié)，vm_end~vm_start的大小便是內(nèi)存區(qū)間的長(zhǎng)度，內(nèi)存區(qū)域的位置就在[vm_start,vm_end]之中，注意，在同一個(gè)地址空間內(nèi)的不同內(nèi)存區(qū)間不能重疊。

vm_mm域指向和VMA相關(guān)的mm_struct結(jié)構(gòu)體，注意每個(gè)VMA對(duì)其相關(guān)的mm_struct來說都是唯一的，所以即使兩個(gè)獨(dú)立的進(jìn)程將同一個(gè)文件映射到各自的地址空間，它們分別都會(huì)有一個(gè)vm_area_struct結(jié)構(gòu)體標(biāo)志自己的內(nèi)存區(qū)域，但是如果兩個(gè)線程共享一個(gè)地址空間，那么它們也同時(shí)共享其中所有的vm_area_struct結(jié)構(gòu)體。

VMA標(biāo)志

VMA標(biāo)志是一種位標(biāo)志，其定義在linux/mm.h中，它包含在vm_flags域內(nèi)，標(biāo)志了內(nèi)存區(qū)域所包含的頁面的行為和信息，和物理頁的訪問權(quán)限不同，VMA標(biāo)志反映了內(nèi)核處理頁面所需要遵守的行為準(zhǔn)則，而不是硬件要求。

VMA操作

vm_area_struct結(jié)構(gòu)體中的vm_ops指向與指定內(nèi)存區(qū)域相關(guān)的操作函數(shù)表，內(nèi)核使用表中的方法操作VMA。vm_area_struct作為通用對(duì)象代表了任何類型的內(nèi)存區(qū)域，而操作表描述針對(duì)特定的對(duì)象實(shí)例的特定方法。
操作函數(shù)表由vm_operations_struct結(jié)構(gòu)體表示，定義在文件linux/mm.h中

/** These are the virtual MM functions - opening of an area, closing and* unmapping it (needed to keep files on disk up-to-date etc), pointer* to the functions called when a no-page or a wp-page exception occurs. */ struct vm_operations_struct {void (*open)(struct vm_area_struct * area);void (*close)(struct vm_area_struct * area);struct page * (*nopage)(struct vm_area_struct * area, unsigned long address, int *type);int (*populate)(struct vm_area_struct * area, unsigned long address, unsigned long len, pgprot_t prot, unsigned long pgoff, int nonblock); #ifdef CONFIG_NUMAint (*set_policy)(struct vm_area_struct *vma, struct mempolicy *new);struct mempolicy *(*get_policy)(struct vm_area_struct *vma,unsigned long addr); #endif };

內(nèi)存區(qū)域的樹形結(jié)構(gòu)和內(nèi)存區(qū)域的鏈表結(jié)構(gòu)

上面說過，可以通過內(nèi)存描述符中的mmap和mm_rb域之一訪問內(nèi)存區(qū)域，這兩個(gè)域各自獨(dú)立地指向與內(nèi)存描述符相關(guān)的全部?jī)?nèi)存區(qū)域?qū)ο髒m_area_struct。

mmap使用單獨(dú)鏈表連接所有的內(nèi)存區(qū)域?qū)ο髒m_area_struct，每一個(gè)vm_area_struct結(jié)構(gòu)體通過自身的vm_next域被連入鏈表，所有的區(qū)域按地址增長(zhǎng)的方向排序，mmap域指向鏈表中第一個(gè)內(nèi)存區(qū)域，鏈中最后一個(gè)VMA結(jié)構(gòu)體指針指向空。

mm_rb域使用紅-黑樹連接所有內(nèi)存區(qū)域?qū)ο?#xff0c;mm_rb域指向紅-黑樹的根結(jié)點(diǎn)，地址空間中每一個(gè)vm_area_struct結(jié)構(gòu)體通過自身的vm_rb域連接到樹中。

鏈表用于需要遍歷全部結(jié)點(diǎn)的時(shí)候，而紅-黑樹適用于在地址空間中定位特定內(nèi)存區(qū)域的時(shí)候。內(nèi)核為了內(nèi)存區(qū)域上的各種不同操作都能獲得高性能，所以同時(shí)使用了這兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

3 操作內(nèi)存區(qū)域

內(nèi)核定義了許多內(nèi)存區(qū)域操作函數(shù)，它們都聲明在文件linux/mm.h中

find_vma()

find_vma()函數(shù)定義在mm/mmap.c中。

/* Look up the first VMA which satisfies addr < vm_end, NULL if none. */ extern struct vm_area_struct * find_vma(struct mm_struct * mm, unsigned long addr);

該函數(shù)在指定的地址空間中搜索第一個(gè)vm_end大于addr的內(nèi)存區(qū)域。換句話說，該函數(shù)尋找第一個(gè)包含addr或首地址大于addr的內(nèi)存區(qū)域，如果沒有發(fā)現(xiàn)這樣的區(qū)域，該函數(shù)返回NULL。否則返回指向匹配的內(nèi)存區(qū)域的vm_area_struct結(jié)構(gòu)體指針，返回的結(jié)構(gòu)會(huì)被緩存在內(nèi)存描述符的mmap_cache域中，所以find_vma會(huì)先在緩存中查找，如果指定的地址不在緩存中，那么必須搜搜和內(nèi)存描述符相關(guān)的所有內(nèi)存區(qū)域，這種搜索通過紅-黑樹進(jìn)行。

find_vma_prev()

find_vma_prev()函數(shù)和find_vma()工作方式相同，但是它返回第一個(gè)小于addr的VMA。該函數(shù)定義和聲明分別在文件mm/mmap.c中和文件linux/mm.h中

extern struct vm_area_struct * find_vma_prev(struct mm_struct * mm, unsigned long addr,struct vm_area_struct **pprev)

pprev參數(shù)存放指向先于addr的VMA指針。

find_vma_intersection()

find_vma_intersection()返回第一個(gè)和指定地址區(qū)間相交的VMA。因?yàn)樵摵瘮?shù)和內(nèi)聯(lián)函數(shù)，所以定義在文件linux/mm.h中：

static inline struct vm_area_struct * find_vma_intersection(struct mm_struct * mm, unsigned long start_addr, unsigned long end_addr) {struct vm_area_struct * vma = find_vma(mm,start_addr);if (vma && end_addr <= vma->vm_start)vma = NULL;return vma; }

第一個(gè)參數(shù)是要搜索的地址空間，start_addr是區(qū)間的開始首位置，end_addr是區(qū)間的尾位置，

4 mmap()和do_mmap()：創(chuàng)建地址空間

內(nèi)核使用do_mmap()函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新的線性地址區(qū)間。如果創(chuàng)建的地址區(qū)間和一個(gè)已經(jīng)存在的地址區(qū)間相鄰，并且它們具有相同的訪問權(quán)限的話，那么兩個(gè)區(qū)間將合并為一個(gè)。do_mmap()函數(shù)會(huì)將一個(gè)地址區(qū)間加入到進(jìn)程的地址空間中。

do_mmap()函數(shù)定義在linux/mm.h中

static inline unsigned long do_mmap(struct file *file, unsigned long addr,unsigned long len, unsigned long prot,unsigned long flag, unsigned long offset)

該函數(shù)映射由file指定的文件，具體映射的是文件中從偏移量offset處開始，長(zhǎng)度為len字節(jié)的范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)。如果file參數(shù)是NULL并且offset參數(shù)也是0，那么就代碼這次映射沒有和文件相關(guān)，該情況被稱作匿名映射，如果指定了文件名和偏移量，那么該映射被稱為文件映射。

addr是可選參數(shù)，它指定搜索空閑區(qū)域的起始位置。
prot參數(shù)指定內(nèi)存區(qū)域中頁面的訪問權(quán)限。訪問權(quán)限標(biāo)志定義在文件asm/mman.h中。
flag參數(shù)指定了VMA標(biāo)志，這些標(biāo)志也定義在文件asm/mman.h中

mmap（） 系統(tǒng)調(diào)用

在用戶空間可以通過mmap（）系統(tǒng)調(diào)用獲取內(nèi)核函數(shù)do_mmap()的功能。

5 munmap()和do_munmap()：刪除地址空間

do_munmap()函數(shù)從特定的進(jìn)程地址空間中刪除指定地址區(qū)間，該函數(shù)定義在文件linux/mm.h中：

extern int do_munmap(struct mm_struct *mm, unsigned long start, size_t len);

第一個(gè)參數(shù)指定要?jiǎng)h除區(qū)域所在的地址空間，刪除從地址start開始，長(zhǎng)度為len字節(jié)的地址區(qū)間，如果成功，返回0.

munmap()系統(tǒng)調(diào)用

系統(tǒng)調(diào)用munmap()給用戶空間程序提供了一種從自身地址空間刪除指定區(qū)間的方法。

int munmap(void *start ,size_t length)

該系統(tǒng)調(diào)用定義在mm/mmap.c中，它是對(duì)do_munmap的一個(gè)簡(jiǎn)單封裝

6 頁表

雖然應(yīng)用程序操作的對(duì)象是映射到物理內(nèi)存之上的虛擬內(nèi)存，但是處理器直接操作的卻是物理內(nèi)存，所以當(dāng)應(yīng)用程序訪問一個(gè)虛擬地址時(shí)，首先必須將虛擬地址轉(zhuǎn)化為物理地址，然后處理器才能解析地址訪問請(qǐng)求。地址的轉(zhuǎn)換工作是通過查詢頁表完成的。
頁表對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)體依賴具體的體系結(jié)構(gòu)，所以定義在文件asm/page.h中

創(chuàng)作挑戰(zhàn)賽新人創(chuàng)作獎(jiǎng)勵(lì)來咯，堅(jiān)持創(chuàng)作打卡瓜分現(xiàn)金大獎(jiǎng)

總結(jié)

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