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linux进程地址空间--vma的基本操作

2017-06-07 14:05 423 查看
http://www.cnblogs.com/jikexianfeng/articles/5648057.html

在32位的系统上,线性地址空间可达到4GB,这4GB一般按照3:1的比例进行分配,也就是说用户进程享有前3GB线性地址空间,而内核独享最后1GB线性地址空间。由于虚拟内存的引入,每个进程都可拥有3GB的虚拟内存,并且用户进程之间的地址空间是互不可见、互不影响的,也就是说即使两个进程对同一个地址进行操作,也不会产生问题。在前面介绍的一些分配内存的途径中,无论是伙伴系统中分配页的函数,还是slab分配器中分配对象的函数,它们都会尽量快速地响应内核的分配请求,将相应的内存提交给内核使用,而内核对待用户空间显然不能如此。用户空间动态申请内存时往往只是获得一块线性地址的使用权,而并没有将这块线性地址区域与实际的物理内存对应上,只有当用户空间真正操作申请的内存时,才会触发一次缺页异常,这时内核才会分配实际的物理内存给用户空间。

用户进程的虚拟地址空间包含了若干区域,这些区域的分布方式是特定于体系结构的,不过所有的方式都包含下列成分:

可执行文件的二进制代码,也就是程序的代码段

存储全局变量的数据段

用于保存局部变量和实现函数调用的栈

环境变量和命令行参数

程序使用的动态库的代码

用于映射文件内容的区域

由此可以看到进程的虚拟内存空间会被分成不同的若干区域,每个区域都有其相关的属性和用途,一个合法的地址总是落在某个区域当中的,这些区域也不会重叠。在linux内核中,这样的区域被称之为虚拟内存区域(virtual memory areas),简称vma。一个vma就是一块连续的线性地址空间的抽象,它拥有自身的权限(可读,可写,可执行等等) ,每一个虚拟内存区域都由一个相关的struct vm_area_struct结构来描述

struct vm_area_struct {  

    struct mm_struct * vm_mm;   /* 所属的内存描述符 */  

    unsigned long vm_start;         /* vma的起始地址 */  

    unsigned long vm_end;           /* vma的结束地址 */  

  

    /* 该vma的在一个进程的vma链表中的前驱vma和后驱vma指针,链表中的vma都是按地址来排序的*/  

    struct vm_area_struct *vm_next, *vm_prev;  

  

    pgprot_t  vm_page_prot;      /* vma的访问权限 */  

    unsigned long vm_flags;    /* 标识集 */  

  

    struct rb_node vm_rb;      /* 红黑树中对应的节点 */  

  

    /* 

     * 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. 

     */  

    /* shared联合体用于和address space关联 */  

    union {  

        struct {  

            struct list_head list;/* 用于链入非线性映射的链表 */  

            void *parent;   /* aligns with prio_tree_node parent */  

            struct vm_area_struct *head;  

        } vm_set;  

  

        struct raw_prio_tree_node prio_tree_node;/*线性映射则链入i_mmap优先树*/  

    } 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. 

     */  

    /*anno_vma_node和annon_vma用于管理源自匿名映射的共享页*/  

    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. */  

    /*该vma上的各种标准操作函数指针集*/  

    const struct vm_operations_struct *vm_ops;  

  

    /* Information about our backing store: */  

    unsigned long vm_pgoff;     /* 映射文件的偏移量,以PAGE_SIZE为单位 */  

    struct file * vm_file;          /* 映射的文件,没有则为NULL */  

    void * vm_private_data;     /* was vm_pte (shared mem) */  

    unsigned long vm_truncate_count;/* truncate_count or restart_addr */  

  

#ifndef CONFIG_MMU  

    struct vm_region *vm_region;    /* NOMMU mapping region */  

#endif  

#ifdef CONFIG_NUMA  

    struct mempolicy *vm_policy;    /* NUMA policy for the VMA */  

#endif  

};  

进程的若干个vma区域都得按一定的形式组织在一起,这些vma都包含在进程的内存描述符中,也就是struct mm_struct中,这些vma在mm_struct以两种方式进行组织,一种是链表方式,对应于mm_struct中的mmap链表头,一种是红黑树方式,对应于mm_struct中的mm_rb根节点,和内核其他地方一样,链表用于遍历,红黑树用于查找。

下面以文件映射为例,来阐述文件的address_space和与其建立映射关系的vma是如何联系上的。首先来看看struct address_space中与vma相关的变量

struct address_space {  

    struct inode        *host;      /* owner: inode, block_device */  

    ...  

    struct prio_tree_root   i_mmap;     /* tree of private and shared mappings */  

    struct list_head    i_mmap_nonlinear;          /*list VM_NONLINEAR mappings */  

    ...  

} __attr  

与此同时,struct file和struct inode中都包含有一个struct address_space的指针,分别为f_mapping和i_mapping。struct file是一个特定于进程的数据结构,而struct inode则是一个特定于文件的数据结构。每当进程打开一个文件时,都会将file->f_mapping设置到inode->i_mapping,下图则给出了文件和与其建立映射关系的vma的联系

下面来看几个vma的基本操作函数,这些函数都是后面实现具体功能的基础

find_vma()用来寻找一个针对于指定地址的vma,该vma要么包含了指定的地址,要么位于该地址之后并且离该地址最近,或者说寻找第一个满足addr<vma_end的vma

struct vm_area_struct *find_vma(struct mm_struct *mm, unsigned long addr)  

{  

    struct vm_area_struct *vma = NULL;  

  

    if (mm) {  

        /* Check the cache first. */  

        /* (Cache hit rate is typically around 35%.) */  

        vma = mm->mmap_cache; //首先尝试mmap_cache中缓存的vma  

        /*如果不满足下列条件中的任意一个则从红黑树中查找合适的vma 

          1.缓存vma不存在 

          2.缓存vma的结束地址小于给定的地址 

          3.缓存vma的起始地址大于给定的地址*/  

        if (!(vma && vma->vm_end > addr && vma->vm_start <= addr)) {  

            struct rb_node * rb_node;  

  

            rb_node = mm->mm_rb.rb_node;//获取红黑树根节点  

            vma = NULL;  

  

            while (rb_node) {  

                struct vm_area_struct * vma_tmp;  

  

                vma_tmp = rb_entry(rb_node,   //获取节点对应的vma  

                        struct vm_area_struct, vm_rb);  

  

                /*首先确定vma的结束地址是否大于给定地址,如果是的话,再确定 

                  vma的起始地址是否小于给定地址,也就是优先保证给定的地址是 

                  处于vma的范围之内的,如果无法保证这点,则只能找到一个距离 

                  给定地址最近的vma并且该vma的结束地址要大于给定地址*/  

                if (vma_tmp->vm_end > addr) {  

                    vma = vma_tmp;  

                    if (vma_tmp->vm_start <= addr)  

                        break;  

                    rb_node = rb_node->rb_left;  

                } else  

                    rb_node = rb_node->rb_right;  

            }  

            if (vma)  

                mm->mmap_cache = vma;//将结果保存在缓存中  

        }  

    }  

    return vma;  

}  

当一个新区域被加到进程的地址空间时,内核会检查它是否可以与一个或多个现存区域合并,vma_merge()函数在可能的情况下,将一个新区域与周边区域进行合并。参数:

mm:新区域所属的进程地址空间

prev:在地址上紧接着新区域的前面一个vma

addr:新区域的起始地址

end:新区域的结束地址

vm_flags:新区域的标识集

anon_vma:新区域所属的匿名映射

file:新区域映射的文件

pgoff:新区域映射文件的偏移

policy:和NUMA相关

struct vm_area_struct *vma_merge(struct mm_struct *mm,  

            struct vm_area_struct *prev, unsigned long addr,  

            unsigned long end, unsigned long vm_flags,  

                struct anon_vma *anon_vma, struct file *file,  

            pgoff_t pgoff, struct mempolicy *policy)  

{  

    pgoff_t pglen = (end - addr) >> PAGE_SHIFT;  

    struct vm_area_struct *area, *next;  

  

    /* 

     * We later require that vma->vm_flags == vm_flags, 

     * so this tests vma->vm_flags & VM_SPECIAL, too. 

     */  

    if (vm_flags & VM_SPECIAL)  

        return NULL;  

  

    if (prev)//指定了先驱vma,则获取先驱vma的后驱vma  

        next = prev->vm_next;  

    else     //否则指定mm的vma链表中的第一个元素为后驱vma  

        next = mm->mmap;  

    area = next;  

  

    /*后驱节点存在,并且后驱vma的结束地址和给定区域的结束地址相同, 

      也就是说两者有重叠,那么调整后驱vma*/  

    if (next && next->vm_end == end)     /* cases 6, 7, 8 */  

        next = next->vm_next;  

  

    /* 

     * 先判断给定的区域能否和前驱vma进行合并,需要判断如下的几个方面: 

       1.前驱vma必须存在 

       2.前驱vma的结束地址正好等于给定区域的起始地址 

       3.两者的struct mempolicy中的相关属性要相同,这项检查只对NUMA架构有意义 

       4.其他相关项必须匹配,包括两者的vm_flags,是否映射同一个文件等等 

     */  

    if (prev && prev->vm_end == addr &&  

            mpol_equal(vma_policy(prev), policy) &&  

            can_vma_merge_after(prev, vm_flags,  

                        anon_vma, file, pgoff)) {  

        /* 

         *确定可以和前驱vma合并后再判断是否能和后驱vma合并,判断方式和前面一样, 

          不过这里多了一项检查,在给定区域能和前驱、后驱vma合并的情况下还要检查 

          前驱、后驱vma的匿名映射可以合并 

         */  

        if (next && end == next->vm_start &&  

                mpol_equal(policy, vma_policy(next)) &&  

                can_vma_merge_before(next, vm_flags,  

                    anon_vma, file, pgoff+pglen) &&  

                is_mergeable_anon_vma(prev->anon_vma,  

                              next->anon_vma)) {  

                            /* cases 1, 6 */  

            vma_adjust(prev, prev->vm_start,  

                next->vm_end, prev->vm_pgoff, NULL);  

        } else                  /* cases 2, 5, 7 */  

            vma_adjust(prev, prev->vm_start,  

                end, prev->vm_pgoff, NULL);  

        return prev;  

    }  

  

    /* 

     * Can this new request be merged in front of next? 

     */  

     /*如果前面的步骤失败,那么则从后驱vma开始进行和上面类似的步骤*/  

    if (next && end == next->vm_start &&  

            mpol_equal(policy, vma_policy(next)) &&  

            can_vma_merge_before(next, vm_flags,  

                    anon_vma, file, pgoff+pglen)) {  

        if (prev && addr < prev->vm_end)  /* case 4 */  

            vma_adjust(prev, prev->vm_start,  

                addr, prev->vm_pgoff, NULL);  

        else                    /* cases 3, 8 */  

            vma_adjust(area, addr, next->vm_end,  

                next->vm_pgoff - pglen, NULL);  

        return area;  

    }  

  

    return NULL;  

}  

vma_adjust会执行具体的合并调整操作

[cpp] view plain copy

void vma_adjust(struct vm_area_struct *vma, unsigned long start,  

    unsigned long end, pgoff_t pgoff, struct vm_area_struct *insert)  

{  

    struct mm_struct *mm = vma->vm_mm;  

    struct vm_area_struct *next = vma->vm_next;  

    struct vm_area_struct *importer = NULL;  

    struct address_space *mapping = NULL;  

    struct prio_tree_root *root = NULL;  

    struct file *file = vma->vm_file;  

    struct anon_vma *anon_vma = NULL;  

    long adjust_next = 0;  

    int remove_next = 0;  

  

    if (next && !insert) {  

        /*指定的范围已经跨越了整个后驱vma,并且有可能超过后驱vma*/  

        if (end >= next->vm_end) {  

            /* 

             * vma expands, overlapping all the next, and 

             * perhaps the one after too (mprotect case 6). 

             */  

again:          remove_next = 1 + (end > next->vm_end);//确定是否超过了后驱vma  

            end = next->vm_end;  

            anon_vma = next->anon_vma;  

            importer = vma;  

        } else if (end > next->vm_start) {/*指定的区域和后驱vma部分重合*/  

          

            /* 

             * vma expands, overlapping part of the next: 

             * mprotect case 5 shifting the boundary up. 

             */  

            adjust_next = (end - next->vm_start) >> PAGE_SHIFT;  

            anon_vma = next->anon_vma;  

            importer = vma;  

        } else if (end < vma->vm_end) {/*指定的区域没到达后驱vma的结束处*/  

            /* 

             * vma shrinks, and !insert tells it's not 

             * split_vma inserting another: so it must be 

             * mprotect case 4 shifting the boundary down. 

             */  

            adjust_next = - ((vma->vm_end - end) >> PAGE_SHIFT);  

            anon_vma = next->anon_vma;  

            importer = next;  

        }  

    }  

  

    if (file) {//如果有映射文件  

        mapping = file->f_mapping;//获取文件对应的address_space  

        if (!(vma->vm_flags & VM_NONLINEAR))  

            root = &mapping->i_mmap;  

        spin_lock(&mapping->i_mmap_lock);  

        if (importer &&  

            vma->vm_truncate_count != next->vm_truncate_count) {  

            /* 

             * unmap_mapping_range might be in progress: 

             * ensure that the expanding vma is rescanned. 

             */  

            importer->vm_truncate_count = 0;  

        }  

        /*如果指定了待插入的vma,则根据vma是否以非线性的方式映射文件来选择是将 

        vma插入file对应的address_space的优先树(对应线性映射)还是双向链表(非线性映射)*/  

        if (insert) {  

            insert->vm_truncate_count = vma->vm_truncate_count;  

            /* 

             * Put into prio_tree now, so instantiated pages 

             * are visible to arm/parisc __flush_dcache_page 

             * throughout; but we cannot insert into address 

             * space until vma start or end is updated. 

             */  

            __vma_link_file(insert);  

        }  

    }  

  

    /* 

     * When changing only vma->vm_end, we don't really need 

     * anon_vma lock. 

     */  

    if (vma->anon_vma && (insert || importer || start != vma->vm_start))  

        anon_vma = vma->anon_vma;  

    if (anon_vma) {  

        spin_lock(&anon_vma->lock);  

        /* 

         * Easily overlooked: when mprotect shifts the boundary, 

         * make sure the expanding vma has anon_vma set if the 

         * shrinking vma had, to cover any anon pages imported. 

         */  

        if (importer && !importer->anon_vma) {  

            importer->anon_vma = anon_vma;  

            __anon_vma_link(importer);//将importer插入importer的anon_vma匿名映射链表中  

        }  

    }  

  

    if (root) {  

        flush_dcache_mmap_lock(mapping);  

        vma_prio_tree_remove(vma, root);  

        if (adjust_next)  

            vma_prio_tree_remove(next, root);  

    }  

  

    /*调整vma的相关量*/  

    vma->vm_start = start;  

    vma->vm_end = end;  

    vma->vm_pgoff = pgoff;  

    if (adjust_next) {//调整后驱vma的相关量  

        next->vm_start += adjust_next << PAGE_SHIFT;  

        next->vm_pgoff += adjust_next;  

    }  

  

    if (root) {  

        if (adjust_next)//如果后驱vma被调整了,则重新插入到优先树中  

            vma_prio_tree_insert(next, root);  

        vma_prio_tree_insert(vma, root);//将vma插入到优先树中  

        flush_dcache_mmap_unlock(mapping);  

    }  

  

    if (remove_next) {//给定区域与后驱vma有重合  

        /* 

         * vma_merge has merged next into vma, and needs 

         * us to remove next before dropping the locks. 

         */  

        __vma_unlink(mm, next, vma);//将后驱vma从红黑树中删除  

        if (file)//将后驱vma从文件对应的address space中删除  

            __remove_shared_vm_struct(next, file, mapping);  

        if (next->anon_vma)//将后驱vma从匿名映射链表中删除  

            __anon_vma_merge(vma, next);  

    } else if (insert) {  

        /* 

         * split_vma has split insert from vma, and needs 

         * us to insert it before dropping the locks 

         * (it may either follow vma or precede it). 

         */  

        __insert_vm_struct(mm, insert);//将待插入的vma插入mm的红黑树,双向链表以及  

                                       //匿名映射链表  

    }  

  

    if (anon_vma)  

        spin_unlock(&anon_vma->lock);  

    if (mapping)  

        spin_unlock(&mapping->i_mmap_lock);  

  

    if (remove_next) {  

        if (file) {  

            fput(file);  

            if (next->vm_flags & VM_EXECUTABLE)  

                removed_exe_file_vma(mm);  

        }  

        mm->map_count--;  

        mpol_put(vma_policy(next));  

        kmem_cache_free(vm_area_cachep, next);  

        /* 

         * In mprotect's case 6 (see comments on vma_merge), 

         * we must remove another next too. It would clutter 

         * up the code too much to do both in one go. 

         */  

        if (remove_next == 2) {//还有待删除的区域  

            next = vma->vm_next;  

            goto again;  

        }  

    }  

  

    validate_mm(mm);  

}  

 

insert_vm_struct()函数用于插入一块新区域

 

[cpp] view plain copy

int insert_vm_struct(struct mm_struct * mm, struct vm_area_struct * vma)  

{  

    struct vm_area_struct * __vma, * prev;  

    struct rb_node ** rb_link, * rb_parent;  

  

    /* 

     * The vm_pgoff of a purely anonymous vma should be irrelevant 

     * until its first write fault, when page's anon_vma and index 

     * are set.  But now set the vm_pgoff it will almost certainly 

     * end up with (unless mremap moves it elsewhere before that 

     * first wfault), so /proc/pid/maps tells a consistent story. 

     * 

     * By setting it to reflect the virtual start address of the 

     * vma, merges and splits can happen in a seamless way, just 

     * using the existing file pgoff checks and manipulations. 

     * Similarly in do_mmap_pgoff and in do_brk. 

     */  

    if (!vma->vm_file) {  

        BUG_ON(vma->anon_vma);  

        vma->vm_pgoff = vma->vm_start >> PAGE_SHIFT;  

    }  

    /*__vma用来保存和vma->start对应的vma(与find_vma()一样),同时获取以下信息: 

      1.prev用来保存对应的前驱vma 

      2.rb_link保存该vma区域插入对应的红黑树节点 

      3.rb_parent保存该vma区域对应的父节点*/  

    __vma = find_vma_prepare(mm,vma->vm_start,&prev,&rb_link,&rb_parent);  

    if (__vma && __vma->vm_start < vma->vm_end)  

        return -ENOMEM;  

    if ((vma->vm_flags & VM_ACCOUNT) &&  

         security_vm_enough_memory_mm(mm, vma_pages(vma)))  

        return -ENOMEM;  

    vma_link(mm, vma, prev, rb_link, rb_parent);//将vma关联到所有的数据结构中  

    return 0;  

}  

 

[cpp] view plain copy

static void vma_link(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma,  

            struct vm_area_struct *prev, struct rb_node **rb_link,  

            struct rb_node *rb_parent)  

{  

    struct address_space *mapping = NULL;  

  

    if (vma->vm_file)//如果存在文件映射则获取文件对应的地址空间  

        mapping = vma->vm_file->f_mapping;  

  

    if (mapping) {  

        spin_lock(&mapping->i_mmap_lock);  

        vma->vm_truncate_count = mapping->truncate_count;  

    }  

    anon_vma_lock(vma);  

  

    /*将vma插入到相应的数据结构中--双向链表,红黑树和匿名映射链表*/  

    __vma_link(mm, vma, prev, rb_link, rb_parent);  

    __vma_link_file(vma);//将vma插入到文件地址空间的相应数据结构中  

  

    anon_vma_unlock(vma);  

    if (mapping)  

        spin_unlock(&mapping->i_mmap_lock);  

  

    mm->map_count++;  

    validate_mm(mm);  

}  

在创建新的vma区域之前先要寻找一块足够大小的空闲区域,该项工作由get_unmapped_area()函数完成,而实际的工作将会由mm_struct中定义的辅助函数来完成。根据进程虚拟地址空间的布局,会选择使用不同的映射函数,在这里考虑大多数系统上采用的标准函数arch_get_unmapped_area();

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unsigned long  

arch_get_unmapped_area(struct file *filp, unsigned long addr,  

        unsigned long len, unsigned long pgoff, unsigned long flags)  

{  

    struct mm_struct *mm = current->mm;  

    struct vm_area_struct *vma;  

    unsigned long start_addr;  

  

    if (len > TASK_SIZE)  

        return -ENOMEM;  

  

    if (flags & MAP_FIXED)  

        return addr;  

  

    if (addr) {  

        addr = PAGE_ALIGN(addr);//将地址按页对齐  

        vma = find_vma(mm, addr);//获取一个vma,该vma可能包含了addr也可能在addr后面并且离addr最近  

        /*这里确定是否有一块适合的空闲区域,先要保证addr+len不会 

          超过进程地址空间的最大允许范围,然后如果前面vma获取成功的话则要保证 

          vma位于addr的后面并且addr+len不会延伸到该vma的区域*/  

        if (TASK_SIZE - len >= addr &&  

            (!vma || addr + len <= vma->vm_start))  

            return addr;  

    }  

    /*前面获取不成功的话则要调整起始地址了,根据情况选择缓存的空闲区域地址 

      或者TASK_UNMAPPED_BASE=TASK_SIZE/3*/  

    if (len > mm->cached_hole_size) {  

            start_addr = addr = mm->free_area_cache;  

    } else {  

            start_addr = addr = TASK_UNMAPPED_BASE;  

            mm->cached_hole_size = 0;  

    }  

  

full_search:  

    /*从addr开始遍历用户地址空间*/  

    for (vma = find_vma(mm, addr); ; vma = vma->vm_next) {  

        /* At this point:  (!vma || addr < vma->vm_end). */  

        if (TASK_SIZE - len < addr) {//这里判断是否已经遍历到了用户地址空间的末端  

            /* 

             * Start a new search - just in case we missed 

             * some holes. 

             */  

             //如果上次不是从TAKS_UNMAPPED_BASE开始遍历的,则尝试从TASK_UNMAPPED_BASE开始遍历  

            if (start_addr != TASK_UNMAPPED_BASE) {  

                addr = TASK_UNMAPPED_BASE;  

                    start_addr = addr;  

                mm->cached_hole_size = 0;  

                goto full_search;  

            }  

            return -ENOMEM;  

        }  

        if (!vma || addr + len <= vma->vm_start) {//判断是否有空闲区域  

            /* 

             *找到空闲区域的话则记住我们搜索的结束处,以便下次搜索 

             */  

            mm->free_area_cache = addr + len;  

            return addr;  

        }  

        /*该空闲区域不符合大小要求,但是如果这个空闲区域大于之前保存的最大值的话 

          则将这个空闲区域保存,这样便于前面确定从哪里开始搜索*/  

        if (addr + mm->cached_hole_size < vma->vm_start)  

                mm->cached_hole_size = vma->vm_start - addr;  

        addr = vma->vm_end;  

    }  

}
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