Linux内核设计与实现(13)--进程地址空间

今天药忘吃喽~ 2022-06-18 03:47 239阅读 0赞

上一节讲了内核如何管理物理内存，其实内核除了管理本身的内存外，还必须管理用户空间中进程的内存，这就是进程地址空间，也就是系统中每个用户空间进程所看到的内存。

Linux采用虚拟内存技术，系统中所有进程之间以虚拟方式共享内存，对一个进程而言，可以访问整个系统的所有物理内存，其拥有地址空间也可以远远大于系统物理内存。

# 1.地址空间 #

# 进程地址空间由进程可寻址的虚拟内存组成。每个进程都有一个32bit或64bit的平坦地址空间，空间具体大小取决于体系结构。平坦(flat)指的是地址空间范围是一个独立的连续空间(比如，地址从0～232-1).一些操作系统提供了段地址空间，这种地址空间并不是一个独立的线性区域，而是被分段的。现代采用虚拟内存的操作系统都使用平坦地址空间。 #

每个进程都有唯一的这种平坦地址空间，并且不同进程之间，彼此互不相干，地址空间完全独立。

尽管一个进程可以寻址4GB虚拟内存(32bit)，但这并不代表它就有权访问所有虚拟内存，在地址空间中，更关心的是一些可以合法访问的虚拟内存的地址空间，这个空间称为“内存区域(memory areas)”，进程只能访问有效内存区域内的内存地址，每个内存区域也具有相关权限，如可读、可写，可执行属性。如果一个进程访问了不在有效范围的内存区域，或以不正确的方式访问了有效地址，内核就会终止该进程，并返回“段错误”。

内存区域可以包含各种内存对象，比如：

代码段(text section)：可执行文件代码的内存映射

数据段(data section): 可执行文件的已初始化全局变量的内存映射

bss段：包含未初始化全局变量，也就是bss段的零页 (页面中的信息全部为0，可用于映射bss段等目的) 的内存映射

栈：用户进程用户空间的栈(不要和进程内核栈混淆，进程的内核栈独立存在并且由内核维护)每个诸如C库或动态链接程序等共享库的代码段、数据段和BSS也会被载入进程的地址空间。

任何内存映射文件；

任何共享内存段；

任何匿名的内存映射，比如malloc()分配的内存；

进程地址空间中的任何有效地址都只能位于唯一的区域，这些内存区域不能相互覆盖；在执行的进程中，每个不同的内存片段都对应一个独立的内存区域：栈、对象代码、全局变量、被映射的文件等。

# 2.内存描述符 #

内核使用内存描述符来表示进程的地址空间，该结构体包含了和进程地址空间有关的官不信息，mm\_struct结构体，定义在

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1.  struct mm\_struct \{   
    
2.      struct vm\_area\_struct \* mmap;        /\* 内存区域链表list of VMAs \*/  
    
3.      struct rb\_root mm\_rb;                /\* VMA形成的红黑树\*/  
    
4.      struct vm\_area\_struct \* mmap\_cache;    /\* 最近使用的内存区域last find\_vma result \*/  
    
5.  \#ifdef CONFIG\_MMU  
    
6.      unsigned long (\*get\_unmapped\_area) (struct file \*filp,  
    
7.                  unsigned long addr, unsigned long len,  
    
8.                  unsigned long pgoff, unsigned long flags);  
    
9.      void (\*unmap\_area) (struct mm\_struct \*mm, unsigned long addr);  
    
10. \#endif  
    
11.     unsigned long mmap\_base;        /\* base of mmap area \*/  
    
12.     unsigned long task\_size;        /\* size of task vm space \*/  
    
13.     unsigned long cached\_hole\_size;     /\* if non\-zero, the largest hole below free\_area\_cache \*/  
    
14.     unsigned long free\_area\_cache;        /\* 地址空间第一个空洞first hole of size cached\_hole\_size or larger \*/  
    
15.     pgd\_t \* pgd; /\*页全局目录\*/  
    
16.     atomic\_t mm\_users;            /\* 使用地址空间的用户数How many users with user space? \*/  
    
17.     atomic\_t mm\_count;            /\* 主使用计数器How many references to "struct mm\_struct" (users count as 1) \*/  
    
18.     int map\_count;                /\* number of VMAs \*/  
    
19.     struct rw\_semaphore mmap\_sem; /\*内存区域的信号量\*/  
    
20.     spinlock\_t page\_table\_lock;        /\* 页表锁Protects page tables and some counters \*/  
    
21.   
    
22.     struct list\_head mmlist;        /\*所有mm\_struct形成的双向链表 List of maybe swapped mm's.    These are globally strung  
    
23.                          \* together off init\_mm.mmlist, and are protected  
    
24.                          \* by mmlist\_lock  
    
25.                          \*/  
    
26.   
    
27.   
    
28.     unsigned long hiwater\_rss;    /\* High\-watermark of RSS usage \*/  
    
29.     unsigned long hiwater\_vm;    /\* High\-water virtual memory usage \*/  
    
30.   
    
31.     /\*全部页面数目，上锁的页面数目\*/  
    
32.     unsigned long total\_vm, locked\_vm, shared\_vm, exec\_vm;  
    
33.     unsigned long stack\_vm, reserved\_vm, def\_flags, nr\_ptes;  
    
34.     /\*代码段的开始地址，结束地址；数据段的首地址和结束地址\*/  
    
35.     unsigned long start\_code, end\_code, start\_data, end\_data;  
    
36.     /\*堆的首地址，堆的尾地址\*/  
    
37.     unsigned long start\_brk, brk, start\_stack;  
    
38.     /\*命令行参数的首地址和结束地址，环境变量的首地址和结束地址\*/  
    
39.     unsigned long arg\_start, arg\_end, env\_start, env\_end;  
    
40.   
    
41.     unsigned long saved\_auxv\[AT\_VECTOR\_SIZE\]; /\* for /proc/PID/auxv \*/  
    
42.   
    
43.     /\*  
    
44.      \* Special counters, in some configurations protected by the  
    
45.      \* page\_table\_lock, in other configurations by being atomic.  
    
46.      \*/  
    
47.     struct mm\_rss\_stat rss\_stat;  
    
48.   
    
49.     struct linux\_binfmt \*binfmt;  
    
50.   
    
51.     cpumask\_t cpu\_vm\_mask;  
    
52.   
    
53.     /\* Architecture\-specific MM context \*/  
    
54.     mm\_context\_t context;  
    
55.   
    
56.     /\* Swap token stuff \*/  
    
57.     /\*  
    
58.      \* Last value of global fault stamp as seen by this process.  
    
59.      \* In other words, this value gives an indication of how long  
    
60.      \* it has been since this task got the token.  
    
61.      \* Look at mm/thrash.c  
    
62.      \*/  
    
63.     unsigned int faultstamp;  
    
64.     unsigned int token\_priority;  
    
65.     unsigned int last\_interval;  
    
66.   
    
67.     unsigned long flags; /\* Must use atomic bitops to access the bits \*/  
    
68.   
    
69.     struct core\_state \*core\_state; /\* coredumping support \*/  
    
70. \#ifdef CONFIG\_AIO  
    
71.     spinlock\_t        ioctx\_lock;  
    
72.     struct hlist\_head    ioctx\_list;  
    
73. \#endif  
    
74. \#ifdef CONFIG\_MM\_OWNER  
    
75.     /\*  
    
76.      \* "owner" points to a task that is regarded as the canonical  
    
77.      \* user/owner of this mm. All of the following must be true in  
    
78.      \* order for it to be changed:  
    
79.      \*  
    
80.      \* current == mm\->owner  
    
81.      \* current\->mm != mm  
    
82.      \* new\_owner\->mm == mm  
    
83.      \* new\_owner\->alloc\_lock is held  
    
84.      \*/  
    
85.     struct task\_struct \*owner;  
    
86. \#endif  
    
87.   
    
88. \#ifdef CONFIG\_PROC\_FS  
    
89.     /\* store ref to file /proc/<pid>/exe symlink points to \*/  
    
90.     struct file \*exe\_file;  
    
91.     unsigned long num\_exe\_file\_vmas;  
    
92. \#endif  
    
93. \#ifdef CONFIG\_MMU\_NOTIFIER  
    
94.     struct mmu\_notifier\_mm \*mmu\_notifier\_mm;  
    
95. \#endif  
    
96. \};

mm\_users域记录正在使用该地址的进程数目，mm\_count表示mm\_struct结构体的主引用计数，当mm\_users值减少为0时(所有使用该地址空间的线程都退出)，mm\_count变为0；当mm\_count等于0，说明已经咩有人和指向该mm\_stuct结构体的引用了，这时该结构体会被撤销。

mmap和mm\_rb描述同一个对象：该地址空间中的全部内存区域。Mmap以链表形式存放，mm\_rb以红\-黑树形式存放。内核通常会避免用两种数据结构组织同一种数据，但此处这种冗余派的上用场，mmap链表，利于简单、高效地遍历所有元素；而mm\_rb结构更适合搜索指定的元素。覆盖树上的链表并用这两个结构体同时访问相同的数据集，有时候这种操作称为线索树。

所有mm\_stuct都通过自身的mmlist域链接在一个双向链表中，该链表首元素是init\_mm内存描述符，它代表init进程的地址空间，另外注意，操作该链表是需要使用mmlist\_lock来防止并发访问。

2.1 分配内存描述符

在进程的进程描述符task\_struct中，mm域存放着该进程使用的内存描述符，所以current->mm指向当前进程的内存描述符。

fork()函数利用copy\_mm()函数复制父进程的内存描述符，而子进程中的mm\_struct结构体实际是通过文件kernel/fork.c中的allocate\_mm()宏从mm\_cachep slab缓存中分配得到的。通常每个进程都有唯一的mm\_struct结构体，即唯一的进程地址空间。

如果父进程希望和子进程共享地址空间，可以调用clone()时，设置CLONE\_VM标志，这样的进程称作线程，Linux中所谓的线程和进程的本质区别，就是是否共享地址空间。

当CLONE\_VM被指定后，内核就不再需要调用allocate\_mm()函数，而仅仅需要在调用copy\_mm()函数中将mm域指向其父进程的内存描述符就可以了：

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1.  if (clone\_flags & CLONE\_VM) \{   
    
2.      //current 是父进程，而tsk在fork()指向期间是子进程  
    
3.      atomic\_inc(&current\->mm\->mm\_users);  
    
4.      tsk\->mm = current\->mm;  
    
5.  \}

2.2 撤销内存描述符

进程退出时，内核会调用exit\_mm()，该函数执行一些常规撤销工作，同时更新一些统计量。

该函数会调用mmput()减少内存描述符中的mm\_users用户基数，如果用户计数降到0，将调用mmdrop()函数，减少mm\_count使用计数。如果使用计数也等于零，说明内存描述符不再有任何使用者了，那么调用free\_mm()宏通过kmem\_cache\_free()将mm\_struct结构体归还到mm\_cachep slab缓存中。

2.3 mm\_struct与内核线程

内核线程没有进程地址空间，也没有相关的内存描述符，所以内核线程对应的进程描述符mm域为空，事实上，这也正是内核线程的真实含义—它们没有用户上下文。

为了避免内核线程为内存描述符和页表浪费内存，也为了当新内核线程运行时，避免浪费处理器周期向新地址空间进行切换，内核线程将直接使用前一个进程的内存描述符。

当一个进程被调度时，该进程的mm域指向的地址空间被载入内存，进程描述符中的active\_mm域会被更新，指向新的地址空间。内核线程没有地址空间，mm域为NULL，于是，当一个内核线程被调度时，内核发现它的mm域为NULL，就会保留前一个进程的地址空间，随后更新内核线程的进程描述符的active\_mm域，使其指向前一个进程的内存描述符。所以需要时，内核线程便可以使用前一个进程的页表。

# 3.虚拟内存区域 #

内存区域由vm\_area\_struct结构体描述，定义在中，内存区域在Linux内核中经常称作虚拟内存区域(virtual memoryAreas, VMAs).

vm\_area\_struct描述了指定地址空间内连续区间上的一个独立内存范围，内核将每个内存区域作为一个单独的内存对象管理，每个内存区域都拥有一致的属性，比如访问权限等，相应的操作也应该一致。按这种方式，每个VMA就可以代表不同类型的内存区域(比如内存映射文件或者进程用户空间栈)。

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1.  /\*  
    
2.   \* This struct defines a memory VMM memory area. There is one of these  
    
3.   \* per VM\-area/task. A VM area is any part of the process virtual memory  
    
4.   \* space that has a special rule for the page\-fault handlers (ie a shared  
    
5.   \* library, the executable area etc).  
    
6.   \*/  
    
7.  struct vm\_area\_struct \{   
    
8.      struct mm\_struct \* vm\_mm;    /\* 相关的mm\_struct结构体The address space we belong to. \*/  
    
9.      unsigned long vm\_start;        /\* 区间首地址Our start address within vm\_mm. \*/  
    
10.     unsigned long vm\_end;        /\* 区间尾地址The first byte after our end address  
    
11.                      within vm\_mm. \*/  
    
12.   
    
13.     /\* linked list of VM areas per task, sorted by address \*/  
    
14.     struct vm\_area\_struct \*vm\_next, \*vm\_prev; //VMA链表  
    
15.   
    
16.     pgprot\_t vm\_page\_prot;        /\* 访问控制权限Access permissions of this VMA. \*/  
    
17.     unsigned long vm\_flags;        /\* 标志:内存区域标志的信息和行为Flags, see mm.h. \*/  
    
18.     struct rb\_node vm\_rb; //树上该VMA的节点  
    
19.   
    
20.     /\*  
    
21.      \* For areas with an address space and backing store,  
    
22.      \* linkage into the address\_space\->i\_mmap prio tree, or  
    
23.      \* linkage to the list of like vmas hanging off its node, or  
    
24.      \* linkage of vma in the address\_space\->i\_mmap\_nonlinear list.  
    
25.      \*/  
    
26.     union \{   
    
27.         struct \{   
    
28.             struct list\_head list;  
    
29.             void \*parent;    /\* aligns with prio\_tree\_node parent \*/  
    
30.             struct vm\_area\_struct \*head;  
    
31.         \} vm\_set;  
    
32.   
    
33.         struct raw\_prio\_tree\_node prio\_tree\_node;  
    
34.     \} shared;  
    
35.   
    
36.     /\*  
    
37.      \* A file's MAP\_PRIVATE vma can be in both i\_mmap tree and anon\_vma  
    
38.      \* list, after a COW of one of the file pages.    A MAP\_SHARED vma  
    
39.      \* can only be in the i\_mmap tree. An anonymous MAP\_PRIVATE, stack  
    
40.      \* or brk vma (with NULL file) can only be in an anon\_vma list.  
    
41.      \*/  
    
42.     struct list\_head anon\_vma\_chain; /\* Serialized by mmap\_sem &  
    
43.                      \* page\_table\_lock \*/  
    
44.     struct anon\_vma \*anon\_vma;    /\* Serialized by page\_table\_lock \*/  
    
45.   
    
46.     /\* Function pointers to deal with this struct. \*/  
    
47.     const struct vm\_operations\_struct \*vm\_ops; //相关的操作链表  
    
48.   
    
49.     /\* Information about our backing store: \*/  
    
50.     unsigned long vm\_pgoff;        /\*文件中偏移量 Offset (within vm\_file) in PAGE\_SIZE  
    
51.                      units, \*not\* PAGE\_CACHE\_SIZE \*/  
    
52.     struct file \* vm\_file;        /\* 被映射的文件File we map to (can be NULL). \*/  
    
53.     void \* vm\_private\_data;        /\* 私有数据was vm\_pte (shared mem) \*/  
    
54.     unsigned long vm\_truncate\_count;/\* truncate\_count or restart\_addr \*/  
    
55.   
    
56. \#ifndef CONFIG\_MMU  
    
57.     struct vm\_region \*vm\_region;    /\* NOMMU mapping region \*/  
    
58. \#endif  
    
59. \#ifdef CONFIG\_NUMA  
    
60.     struct mempolicy \*vm\_policy;    /\* NUMA policy for the VMA \*/  
    
61. \#endif  
    
62. \};

每个内存描述符都对应于进程地址空间中的唯一区间，vm\_end-vm\_start大小就是内存区间的长度。在同一地址空间内的不同内存区间不能重叠。

vm\_mm域指向和VMA相关的mm\_struct结构体，每个VMA对其相关的mm\_struct结构体来说都是唯一的，如果两个线程共享一个地址空间，那么它们也同时共享其中所有的vm\_area\_struct结构体。

3.1VMA标志

VMA是一种位标志，它包含在vm\_flags域内，标志了内存区域所包含的页面行为和信息。VMA标识反映了内核处理页面所需遵守的行为准则，而不是硬件要求。vm\_flags包含了内存区域中每个页面的信息或内存区域的整体信息，而不是具体的独立页面。

![Image 1][]

几个重要的标志(这些标志可以按需求组合)：

VM\_READ，VM\_WRITE和VM\_EXEC标志了区域中页面的读、写和执行权限。

VM\_SHARD：指明内存区域包含的映射是否可以在多进程间共享，

VM\_IO：标志内存区域中按对设备I/O空间的映射，该标志通常在设备驱动程序执行mmap()函数进行I/O空间映射时才被设置。

VM\_SEQ\_READ：标志内核应用程序对映射内容执行有序的(线性和连续的)读操作，这样内核可以有选择地执行预读文件。

3.2 VMA操作

Vm\_area\_struct结构体中的vm\_ops域指向与指定内存区域相关的操作函数

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1.  struct vm\_operations\_struct \{   
    
2.  //当指定的内存区域被加入到一个地址空间时，该函数被调用  
    
3.      void (\*open)(struct vm\_area\_struct \* area);  
    
4.  //当指定的内存区域从地址空间删除时，该函数调用  
    
5.      void (\*close)(struct vm\_area\_struct \* area);  
    
6.  //当没有出现在屋里内存中的页面被访问时，该函数被页面故障处理调用  
    
7.      int (\*fault)(struct vm\_area\_struct \*vma, struct vm\_fault \*vmf);  
    
8.    
    
9.      /\* notification that a previously read\-only page is about to become  
    
10.      \* writable, if an error is returned it will cause a SIGBUS \*/  
    
11. //当某个页面为只读页面时，该函数被页面故障处理调用  
    
12.     int (\*page\_mkwrite)(struct vm\_area\_struct \*vma, struct vm\_fault \*vmf);  
    
13.   
    
14.     /\* called by access\_process\_vm when get\_user\_pages() fails, typically  
    
15.      \* for use by special VMAs that can switch between memory and hardware  
    
16.      \*/  
    
17. //当get\_user\_pages()函数调用失败时，该函数被access\_process\_vm()函数调用  
    
18.     int (\*access)(struct vm\_area\_struct \*vma, unsigned long addr,  
    
19.          void \*buf, int len, int write);  
    
20.     …  
    
21. \};

3.3 内存区域的树型结构和内存区域的链表结构

mmap和mm\_rb，独立地指向与内存描述符相关的全体内存区域对象，它们包含完全相同的vm\_area\_struct结构体指针，仅仅方法不同。

mmap域使用单独的链表链接所有的内存区域对象，每个vm\_area\_struct结构体通过自身vm\_next域被连入链表，mmap域指向链表中的一个内存区域，链中最后一个结构体指针指向空

mm\_rb域使用红\-黑树链接所有内存区域对象，mm\_rb指向红\-黑树根节点，地址空间中每个vm\_area\_struct通过自身的vm\_rb连接到树中。

链表用于需要遍历全部节点的时候，而红黑树适用于在地址空间中定位特定内存区域的时候，内核为了内存区域上的各种不同操作都能获得高性能，所以同时使用了这两种数据结构。

3.4 实际使用中的内存区域

可使用/proc文件系统和pmap工具查看给定进程的内存空间和其中所含的内存区域。

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1.  \#include <stdio.h>  
    
2.  int main(void)  
    
3.  \{   
    
4.       printf("hello,world!\\r\\n");  
    
5.       while (1);  
    
6.       return 0;  
    
7.  \}

该程序执行pid是2874，那么

leon@ubuntu:~$ cat /proc/2874/maps

08048000-08049000 r-xp 00000000 08:01 131477     /home/leon/a.out

08049000\-0804a000 r--p 00000000 08:01 131477     /home/leon/a.out

0804a000-0804b000 rw-p 00001000 08:01 131477     /home/leon/a.out

b7589000-b758a000 rw-p 00000000 00:00 0

b758a000-b772e000 r-xp 00000000 08:01 524970     /lib/i386-linux-gnu/libc-2.15.so

b772e000-b7730000 r--p 001a4000 08:01 524970     /lib/i386-linux-gnu/libc-2.15.so

b7730000-b7731000 rw-p 001a6000 08:01 524970     /lib/i386-linux-gnu/libc-2.15.so

b7731000-b7734000 rw-p 00000000 00:00 0

b7744000-b7747000 rw-p 00000000 00:00 0

b7747000-b7748000 r-xp 00000000 00:00 0          \[vdso\]

b7748000-b7768000 r-xp 00000000 08:01 524935     /lib/i386-linux-gnu/ld-2.15.so

b7768000-b7769000 r--p 0001f000 08:01 524935     /lib/i386-linux-gnu/ld-2.15.so

b7769000-b776a000 rw-p 00020000 08:01 524935     /lib/i386-linux-gnu/ld-2.15.so

bfb5b000-bfb7c000 rw-p 00000000 00:00 0          \[stack\]

每行数据格式如下：

内存地址开始\-结束 访问权限 偏移 主设备号：次设备号 i节点 文件

或者用pmap命令查看

leon@ubuntu:~$ pmap 2874

2874:   ./a.out

08048000      4K r-x--  /home/leon/a.out

08049000      4K r----  /home/leon/a.out

0804a000      4K rw---  /home/leon/a.out

b7589000      4K rw---    \[ anon \]

b758a000   1680K r-x--  /lib/i386-linux-gnu/libc-2.15.so

b772e000      8K r----  /lib/i386-linux-gnu/libc-2.15.so

b7730000      4K rw---  /lib/i386-linux-gnu/libc-2.15.so

b7731000     12K rw---    \[ anon \]

b7744000     12K rw---    \[ anon \]

b7747000      4K r-x--    \[ anon \]

b7748000    128K r-x--  /lib/i386-linux-gnu/ld-2.15.so

b7768000      4K r----  /lib/i386-linux-gnu/ld-2.15.so

b7769000      4K rw---  /lib/i386-linux-gnu/ld-2.15.so

bfb5b000    132K rw---    \[ stack \]

total     2004K

分别表示程序和C库的代码段、数据段、bss段

进程全都地址空间大约2004KB，但只有大概不到200KB的内存区域是可写或私有的。如果一片内存范围是共享的或不可写的，那么内核只需要在内存中为文件保留一份映射，比如C库的代码，只读入一次是安全的。

由于内存未被共享，所以只要一有进程写该处数据，那么该处数据就将被拷贝出来(写时拷贝)，然后才被更新。

每个和进程相关的内存区域都对应于一个vm\_area\_strcut结构体。

# 4.操作内存区域 #

内核时常需要在某个内存区域上执行一些操作，这些操作非常频繁，它们也是mmap()例程的基础，为了方便这类对内存区域的操作，内核定义了许多辅助函数声明在

4.1 查找一个给定的内存地址属于哪一个内存区域: find\_vma()

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1.  /\* Look up the first VMA which satisfies addr < vm\_end, NULL if none. \*/  
    
2.  struct vm\_area\_struct \*find\_vma(struct mm\_struct \*mm, unsigned long addr)  
    
3.  \{   
    
4.      struct vm\_area\_struct \*vma = NULL;  
    
5.    
    
6.      if (mm) \{   
    
7.          /\* Check the cache first. \*/  
    
8.          /\* (Cache hit rate is typically around 35%.) \*/  
    
9.          vma = mm\->mmap\_cache;  
    
10.         if (!(vma && vma\->vm\_end > addr && vma\->vm\_start <= addr)) \{   
    
11.             struct rb\_node \* rb\_node;  
    
12.   
    
13.             rb\_node = mm\->mm\_rb.rb\_node;  
    
14.             vma = NULL;  
    
15.   
    
16.             while (rb\_node) \{   
    
17.                 struct vm\_area\_struct \* vma\_tmp;  
    
18.   
    
19.                 vma\_tmp = rb\_entry(rb\_node,  
    
20.                         struct vm\_area\_struct, vm\_rb);  
    
21.   
    
22.                 if (vma\_tmp\->vm\_end > addr) \{   
    
23.                     vma = vma\_tmp;  
    
24.                     if (vma\_tmp\->vm\_start <= addr)  
    
25.                         break;  
    
26.                     rb\_node = rb\_node\->rb\_left;  
    
27.                 \} else  
    
28.                     rb\_node = rb\_node\->rb\_right;  
    
29.             \}  
    
30.             if (vma)  
    
31.                 mm\->mmap\_cache = vma;  
    
32.         \}  
    
33.     \}  
    
34.     return vma;  
    
35. \}

该函数在指定地址空间中搜索的一个vm\_end大于addr的内存区域，这样返回的VMA首地址可能大于addr，所以指定的地址并不一定就包含在返回的VMA中。

因为很有可能在执行某个VMA操作后，其他操作还会对该VMA进行操作，所以find\_vma()函数返回的结果被缓存在内存描述符的mmap\_cache域中，实践证明，被缓存的VMA有相当好的命中率(30~40%)，检查被缓存的VMA速度会很快，如果指定的地址不在缓存中，那么必须搜索和内存描述符相关的所有内存区域，这种搜索通过红黑树进行。

4.2 查找第一个和指定地址区间相交的VMA：find\_vma\_intersection()

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1.  /\* Look up the first VMA which intersects the interval start\_addr..end\_addr\-1,  
    
2.     NULL if none. Assume start\_addr < end\_addr. \*/  
    
3.  static inline struct vm\_area\_struct \* find\_vma\_intersection(struct mm\_struct \* mm, unsigned long start\_addr, unsigned long end\_addr)  
    
4.  \{   
    
5.      struct vm\_area\_struct \* vma = find\_vma(mm,start\_addr);  
    
6.    
    
7.      if (vma && end\_addr <= vma\->vm\_start)  
    
8.          vma = NULL;  
    
9.      return vma;  
    
10. \}

mm：要搜索的地址空间

start\_addr：区间的起始地址

end\_addr：区间尾地址

如果find\_vma()返回NULL，那么find\_vma\_intersection()返回NULL;

如果find\_vma()返回有效VMA，find\_vma\_intersection()只有在该VMA的起始位置于给定的地址区间结束位置之前，才将其返回，否者返回NULL

# 5.mmap()和do\_mmap()：创建地址区间 #

内核使用do\_mmap()函数创建一个新的线性地址区间。如果这个新的VMA与相邻地址区间具有相同访问权限的话，将合并为一个VMA，如果不能合并，就确实需要创建一个新的VMA了。

无论如何，do\_mmap()函数都会将一个地址区间加入到进程的地址空间中，无论是扩展已存在的内存区域还是创建一个新的区域。

在中定义

static inline unsigned long do\_mmap(struct file \*file, unsigned long addr,

unsigned long len, unsigned long prot,

unsigned long flag, unsigned long offset)

该函数映射由file指定的文件，具体映射从文件偏移ofset开始，长度为len字节。如果file参数是NULL并且offset是0，那么代表这次映射没有和文件相关，这叫做匿名映射(anonymous mapping)。否则叫文件映射(file-backed mapping)。

addr是可选参数，它指定搜索空闲区域的起始位置。

prot参数指定内存区域中页面的访问权限。

![Image 1][]

flag参数指定VMA标志，这些标志指定类型并改变映射的行为

![Image 1][]

如果系统调用do\_mmap()的参数中有无效参数，它返回一个负值；否者，就会在虚拟内存中分配额一个合适的新内存区域(有可能从slab中获取)。

在用户空间通过调用mmap()系统调用获取内核do\_mmap()的功能。

void \*mmap2(void \*addr,

size\_t length,

int prot,

int flags,

int fd,

off\_t pgoffset)

该系统调用是mmap()调用的第二种变种，所以起名为mmap2()，原始的mmap()方法的调用最后一个参数是字节偏移量，而mmap2()使用页面偏移量；mmap()调用由POSIX定义，C库中任然作为mmap()方法使用，但新内核中已经没有对应实现了，mmap()方法的调用是通过将字节偏移转化为页面偏移，从而转化为对mmap2()函数的调用来实现的。

# 6.mummap()和do\_mummap()：删除地址区间 #

do\_mummap()从特定的进程地址空间中删除指定地址区间，定义在

int do\_munmap(struct mm\_struct \*mm, unsigned long start, size\_t len)

从mm指定的用户空间，删除从地址start开始，长度为len字节的地址区间。

Itn munmap(void \*start, size\_t length)

该系统调用定义在文件mm/mmap.c中，它是对do\_mummap()函数的一个简单封装：

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1.  asmlinkage long sys\_munmap(unsigned long addr,size\_t len)  
    
2.  \{   
    
3.      int ret;  
    
4.      struct mm\_struct \*mm;  
    
5.    
    
6.      mm = current\->mm;  
    
7.      down\_write(&mm\->mmap\_sem);  
    
8.      ret = do\_munmap(mm,addr,len);  
    
9.      up\_write(&mm\->mmap\_sem);  
    
10.       
    
11.     return ret;  
    
12. \}

# 7.页表 #

虽然应用程序操作的对象是对应虚拟内存，但处理器直接操作的却是物理内存，当应用程序访问一个虚拟地址时，首先必须将虚拟地址转化成物理地址，然后处理器才能解析地址访问请求。

Linux使用三级页表管理完成地址转换，可按需求在编译简化使用两级，用三级是利用“最大公约数”的思想--- 一种设计简单的体系结构。

每个进程都有自己的页表(线程会共享页表)，内存描述符的pgd域指向的就是进程的页全局目录，注意，操作和检索页表时必须使用page\_table\_lock锁，该锁在相应进程的内存描述符中，防止竞争条件。

页表对应的结构体依赖于具体的体系结构，定义在

![Image 1][]

由于几乎每次对虚拟内存的页面访问都必须先解析它，从而得到物理地址，所以页表操作的性能非常关键。但不幸的是搜索内存中的物理地址速度很有限，为了加快搜索，多数体系结构实现了一个翻译后缓存器(translate lookaside buffer, TLB)。TLB缓存虚拟地址到物理地址的映射，如果访问的虚拟地址在缓存中命中，物理地址立刻返回；否者就需要再通过页表搜索需要的物理地址。

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