linux學習二內存管理重要的數據結構

這裏只列舉幾個比較麻煩的數據結構

struct list_head {
    struct list_head *next, *prev;
} //linux通用的雙向鏈隊列，下面多處用到，這裏列出源代碼

linux對內存再用頁式管理，對於頁，就有個數據結構page加以描述。在內核中有個全局量mem-map指向的是一個page的數組，整個數組描述了整個物理內存，你們注意32位地址線，內存大小是2的32次方。因爲頁大小是4k也就是2的12次方。每4K的頁就有一個page。那麼2的32次方共有2的20次方個頁，則mem-map指向的數組大小就是2的20次方。其中明顯對於頁的物理地址，必定是4K的倍數，由於它大小是4K，那麼這個數組就有個對應，數組下標後面12個0（2進制）對應了頁面的物理地址，他們在數值上是相等的。那麼咱們在page數據結構中就沒有必要存貯它的物理地址。page數據結構定義位置include/linux/mm.h

struct page{

struct list_head list;   //經過使用它進入下面的數據結構free_area_struct結構中的雙向鏈隊列

struct address_space * mapping;   //用於內存交換的數據結構

unsigned long index;//當頁面進入交換文件後

struct page *next_hash; //自身的指針，這樣就能夠連接成一個鏈表

atomic t count; //用於頁面交換的計數,若頁面爲空閒則爲0，分配就賦值1，沒創建或恢復一次映射就加1，斷開映射就減一

unsigned long flags;//反應頁面各類狀態，例如活躍，不活躍髒，不活躍乾淨，空閒

struct list_head lru;

unsigned long age; //表示頁面壽命

wait_queue_head_t wait;

struct page ** pprev_hash;

struct buffer_head * buffers;

void * virtual

struct zone_struct * zone; //指向所屬的管理區

}

(對於每一個項的說明，我會慢慢補上）

對內存，僅僅用page數據結構來描述確定遠遠不夠，對於整個內存，咱們在此之上分了管理區的概念，每一個管理區管理數個頁面。這個數據結構是 zone_struct定義位置是在include/linux/mmzone.h

typedef struct free_area_struct {
    struct list_head free_list;   //linux 中通用的雙向鏈隊列
    unsigned int * map;
} free_area_t;

typedef struct zone_struct{

    spinlock_t        lock;

    unsigned long offset;  //表示該管理區在mem-map數組中，起始的頁號

    unsigned long free pages;
    unsigned long inactive_clean_pages;
    unsigned long inactive_dirty_pages;
    unsigned pages_min, pages_low, pages_high;
    
    struct list_head inactive_clean_list;   //用於頁面交換的隊列，基於linux頁面交換的機制。這裏存貯的是不活動「乾淨」頁面
    free_area_t free_area[MAX_ORDER]; 

//一組「空閒區間」隊列，free_area_t定義在上面，其中空閒下標表示的是頁面大小，例如：數組第一個元素0號，表示全部區間大小爲2的0次方的頁面連接成的雙向隊列，1號表示全部2的1次方頁面連接連接成的雙向隊列，2號表示全部2的2次方頁面連接成的隊列，其中要求是這些頁面地址連續
    
    char * name;
    unsigned long size;
    
    struct pglist_data * zone_pgdat;   //用於指向它所屬的存貯節點，及下面的數據結構
    unsigned  long  zone_start_paddr;
    unsigned  long    zone_start_mapnr;
    struct page * zone_mem_map;

} zone_t;

咱們知道內存的地位並非「平等的」，例如主內存和圖形卡上的靜態內存ram就不是「平等地位」，所以咱們頁面管理機制作了修正，管理區不是內存管理中最高層的概念，前述的page數組mem-map也不是全局，而是從屬於具體的節點，在zone_struct 上面有了一層表明存貯節點的數據結構pglist_data，定義於include/linux/mmzone.h 中

typedef struct pglist_data {
    zone_t    node_zones[MAX_NR_ZONES];   //該節點最多的3個頁面管理區，MAX_NR_ZONE值是3，在linux中分爲3個管理區，也多是2個ZONE_DMA,ZONE_NORMAL,ZONE_HIGHMEM
    zonelist_t    node_zonelist[NR_GFPINDEX];   //具體說明見下面的數據結構
    struct page * node_mem_map;   //用於指向屬於該存儲節點的page數組
    unsigned long * valid_addr_bitmap;
    struct bootmem_data    * bdata;
    unsigned long node_start_paddr;
    unsigned long node_start_mapnr;
    unsigned long node_size;
    int    node_id;
    struct pglistdata * node_next;   //用於造成一個單鏈隊列
}    pg_data_t;

typedef struct zonelist_struct {
    zone_t * zones [MAX_NR_ZONES+1]; //指針數組，指向每一個具體的頁面管理區
    int gfp_mask;
}    zonelist_t; //用於描述內存分配策略的數據結構，好比內存中最小適應法則的分配策略，咱們就能夠將區放入zones數組中，按照區內空閒頁面從小到大的原則，但咱們要實現這個法則，咱們只須要從頭至尾便利這個數組，那麼找到第一個大於你要求的頁面個數的區就是最小適應區

這些都是用於物理空間管理的，虛擬空間管理由下面的數據結構描述（我剛開始把虛擬空間弄成了虛擬內存，越看越糊塗，虛擬空間指的是，在linux中，4G內存被分爲2塊，搞地址1G內存叫系統空間，全部進程共享，下面的3G即是虛擬空間，每一個進程都佔有虛擬空間3G，在進程本身看來是這樣的，但實際上，他遠遠沒這麼多內存用），vm_area_struct數據結構，定義於 include/linux/mm.h，進程虛存空間的描述，他被進一步組織到mm_struct中，它描述是地址連續的空間

struct vm_area_struct {
    struct mm_struct * vm_mm;   //下面說明
    unsigned long  vm_start;
    unsigned long vm_end;   //start和end決定了虛存空間，我的理解應該是mem-map表的下標，其中 start包含，end不包含，同時區間劃分不僅僅是地址連續，還要保證權限的統一
    
    struct vm_area_struct * vm_next;   //將屬於同一進程的虛存區間按照虛存地址高低連接起來
    
    pgrot t_vm_page_prot;
    unsigned long vm_flags;   //存貯該區間的權限
    
    short vm_avl_height;
    struct vm_area_struct * vm_avl_left;
    struct vm_area_struct * vm_avl_rigth; //用於生成 avl樹，提升搜索效率
    
    struct vm_area_struct * vm_next_share;
    struct vm_area_struct ** vm_pprev_share;
    
    struct vm_operations_struct * vm_ops;   //下面說明
    unsigned long vm_pgoff;
    
    struct file * vm_file;
    unsigned long vm_raend;
    void * vm_private_data;   //這些屬性都是用於記錄頁面與文件關係，具體狀況具體分析
}

定義於include/linux/mm.h

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 write_access);
} //open, close,nopage用於虛存空間打開，關閉和創建印射

 

定義於include/linux/sched.h，進程全部的虛存空間的數據結構描述

struct mm_struct{
    struct vm_area_struct * mmap;   //創建虛存空間的單鏈隊列
    struct vm_area_struct * mmap_avl;   //創建虛存空間的AVL樹
    struct vm_area_struct * mmap_cache;   //最近一次使用的虛存空間，因爲內存訪問老是帶有局部性，命中率有35%
    pgd_t * pgd;   //指向進程頁面目錄，在載入進程時候這個值會被載入到cr3寄存器中
    atomic_t mm_users;
    atomic_t mm_count;
    //這2個變量比較使人費解，mm_users記錄是虛存空間的使用者，而mm_count記錄的是mm_struct使用的計數。首先虛存空間是能夠多個進程使用的，好比若是父進程調用vfork建立子線程，此時2者使用的是同一個虛存空間。線程是沒有本身的虛存空間。其次一個mm_struct對應一個虛存，有幾個使用者那麼就有幾個進程經過指針共享了這個mm_struct，按理說這2個計數應該是一個，不該該分紅2個。大部分可能性2者是相同的。但又特殊狀況，好比內核線程是沒有虛存空間，他是須要暫借調用者的虛存空間，只是虛存空間使用者和mm_struct使用計數就不統一
    int map_count;
    struct semaphore mmap_sem;   //用於進程的間的互斥訪問
    spinlock_t page_table_lock;
    
    struct list_head mmlist;
    
    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, total_vm, locked_vm;
    unsigned long def_flags;
    unsigned long cpu_vm_mask;
    unsigned long swap_cnt;
    unsigned long swap_address;
    mm_context_t context;
}

在操做系統中，有個進程控制塊（PCB）的概念，具體到linux裏面對應的數據結構是task_struct，它內部就有個mm_struct指針，mm_struct是整個用戶空間的抽象。待續。。。