《Linux內核設計與實現》讀書筆記（十五）- 進程地址空間(kernel 2.6.32.60)

時間  2019-11-19
標籤 Linux內核設計與實現 讀書 筆記 十五 進程 地址 空間 kernel 2.6.32.60 欄目 Linux 简体版
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進程地址空間也就是每一個進程所使用的內存，內核對進程地址空間的管理，也就是對用戶態程序的內存管理。node

主要內容：linux

  • 地址空間(mm_struct)
  • 虛擬內存區域(VMA)
  • 地址空間和頁表

 

1. 地址空間(mm_struct)

地址空間就是每一個進程所能訪問的內存地址範圍。數組

這個地址範圍不是真實的，是虛擬地址的範圍，有時甚至會超過實際物理內存的大小。緩存

 

現代的操做系統中進程都是在保護模式下運行的，地址空間實際上是操做系統給進程用的一段連續的虛擬內存空間。安全

地址空間最終會經過頁表映射到物理內存上，由於內核操做的是物理內存。數據結構

 

雖然地址空間的範圍很大，可是進程也不必定有權限訪問所有的地址空間(通常都是隻能訪問地址空間中的一些地址區間)，app

進程可以訪問的那些地址區間也稱爲 內存區域。ide

進程若是訪問了有效內存區域之外的內容就會報 「段錯誤」 信息。函數

 

內存區域中主要包含如下信息：this

  • - 代碼段(text section)，便可執行文件代碼的內存映射
  • - 數據段(data section)，便可執行文件的已初始化全局變量的內存映射
  • - bss段的零頁(頁面信息全是0值)，即未初始化全局變量的內存映射
  • - 進程用戶空間棧的零頁內存映射
  • - 進程使用的C庫或者動態連接庫等共享庫的代碼段，數據段和bss段的內存映射
  • - 任何內存映射文件
  • - 任何共享內存段
  • - 任何匿名內存映射，好比由 malloc() 分配的內存

注：bss是 block started by symbol 的縮寫。

 

linux中內存相關的概念稍微整理了一下，供參考：

英文

含義
SIZE 進程映射的內存大小，這不是進程實際使用的內存大小
RSS(Resident set size) 實際駐留在「內存」中的內存大小，不包含已經交換出去的內存
SHARE RSS中與其餘進程共享的內存大小
VMSIZE 進程佔用的總地址空間，包含沒有映射到內存中的頁
Private RSS 僅由進程單獨佔用的RSS，也就是進程實際佔用的內存

 

1.1 mm_struct介紹

linux中的地址空間是用 mm_struct 來表示的。

下面對其中一些關鍵的屬性進行了註釋，有些屬性我也不是很瞭解......

struct mm_struct {
    struct vm_area_struct * mmap;        /* [內存區域]鏈表 */
    struct rb_root mm_rb;               /* [內存區域]紅黑樹 */
    struct vm_area_struct * mmap_cache;    /* 最近一次訪問的[內存區域] */
    unsigned long (*get_unmapped_area) (struct file *filp,
                unsigned long addr, unsigned long len,
                unsigned long pgoff, unsigned long flags);  /* 獲取指定區間內一個還未映射的地址，出錯時返回錯誤碼 */
    void (*unmap_area) (struct mm_struct *mm, unsigned long addr);  /* 取消地址 addr 的映射 */
    unsigned long mmap_base;        /* 地址空間中能夠用來映射的首地址 */
    unsigned long task_size;        /* 進程的虛擬地址空間大小 */
    unsigned long cached_hole_size;     /* 若是不空的話，就是 free_area_cache 後最大的空洞 */
    unsigned long free_area_cache;        /* 地址空間的第一個空洞 */
    pgd_t * pgd;                        /* 頁全局目錄 */
    atomic_t mm_users;            /* 使用地址空間的用戶數 */
    atomic_t mm_count;            /* 實際使用地址空間的計數， (users count as 1) */
    int map_count;                /* [內存區域]個數 */
    struct rw_semaphore mmap_sem;   /* 內存區域信號量 */
    spinlock_t page_table_lock;        /* 頁表鎖 */

    struct list_head mmlist;        /* 全部地址空間造成的鏈表 */

    /* Special counters, in some configurations protected by the
     * page_table_lock, in other configurations by being atomic.
     */
    mm_counter_t _file_rss;
    mm_counter_t _anon_rss;

    unsigned long hiwater_rss;    /* High-watermark of RSS usage */
    unsigned long hiwater_vm;    /* High-water virtual memory usage */

    unsigned long total_vm, locked_vm, shared_vm, exec_vm;
    unsigned long stack_vm, reserved_vm, def_flags, nr_ptes;
    unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data; /* 代碼段，數據段的開始和結束地址 */
    unsigned long start_brk, brk, start_stack; /* 堆的首地址，尾地址，進程棧首地址 */
    unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end; /* 命令行參數，環境變量首地址，尾地址 */

    unsigned long saved_auxv[AT_VECTOR_SIZE]; /* for /proc/PID/auxv */

    struct linux_binfmt *binfmt;

    cpumask_t cpu_vm_mask;

    /* Architecture-specific MM context */
    mm_context_t context;

    /* Swap token stuff */
    /*
     * Last value of global fault stamp as seen by this process.
     * In other words, this value gives an indication of how long
     * it has been since this task got the token.
     * Look at mm/thrash.c
     */
    unsigned int faultstamp;
    unsigned int token_priority;
    unsigned int last_interval;

    unsigned long flags; /* Must use atomic bitops to access the bits */

    struct core_state *core_state; /* coredumping support */
#ifdef CONFIG_AIO
    spinlock_t        ioctx_lock;
    struct hlist_head    ioctx_list;
#endif
#ifdef CONFIG_MM_OWNER
    /*
     * "owner" points to a task that is regarded as the canonical
     * user/owner of this mm. All of the following must be true in
     * order for it to be changed:
     *
     * current == mm->owner
     * current->mm != mm
     * new_owner->mm == mm
     * new_owner->alloc_lock is held
     */
    struct task_struct *owner;
#endif

#ifdef CONFIG_PROC_FS
    /* store ref to file /proc/<pid>/exe symlink points to */
    struct file *exe_file;
    unsigned long num_exe_file_vmas;
#endif
#ifdef CONFIG_MMU_NOTIFIER
    struct mmu_notifier_mm *mmu_notifier_mm;
#endif
};

補充說明1： 上面的屬性中，mm_users 和 mm_count 很容易混淆，這裏特別說明一下：(下面的內容有網上查找的，也有我本身理解的)

mm_users 比較好理解，就是 mm_struct 被用戶空間進程(線程)引用的次數。

若是進程A中建立了3個新線程，那麼 進程A(這時候叫線程A也能夠)對應的 mm_struct 中的 mm_users = 4

 

補充一點，linux中進程和線程幾乎沒有什麼區別，就是看它是否共享進程地址空間，共享進程地址空間就是線程，反之就是進程。

因此，若是子進程和父進程共享了進程地址空間，那麼父子進程均可以看作線程。若是父子進程沒有共享進程地址空間，就是2個進程

 

mm_count 則稍微有點繞人，其實它記錄就是 mm_struct 實際的引用計數。

簡單點說，當 mm_users=0 時，並不必定能釋放此 mm_struct，只有當 mm_count=0 時，才能夠肯定釋放此 mm_struct

 

從上面的解釋能夠看出，可能引用 mm_struct 的並不僅是用戶空間的進程(線程)

當 mm_users>0 時， mm_count 會增長1, 表示有用戶空間進程(線程)在使用 mm_struct。無論使用 mm_struct 的用戶進程(線程)有幾個， mm_count 都只是增長1。

也就是說，若是隻有1個進程使用 mm_struct，那麼 mm_users=1，mm_count也是 1。

若是有9個線程在使用 mm_struct，那麼 mm_users=9，而 mm_count 仍然爲 1。

 

那麼 mm_count 什麼狀況下會大於 1呢？

當有內核線程使用 mm_struct 時，mm_count 纔會再增長 1。

內核線程爲什麼會使用用戶空間的 mm_struct 是有其餘緣由的，這個後面再闡述。這裏先知道內核線程使用 mm_struct 時也會致使 mm_count 增長 1。

在下面這種狀況下，mm_count 就頗有必要了：

  • - 進程A啓動，並申請了一個 mm_struct，此時 mm_users=1, mm_count=1
  • - 進程A中新建了2個線程，此時 mm_users=3, mm_count=1
  • - 內核調度發生，進程A及相關線程都被掛起，一個內核線程B 使用了進程A 申請的 mm_struct，此時 mm_users=3, mm_count=2
  • - CPU的另外一個core調度了進程A及其線程，而且執行完了進程A及其線程的全部操做，也就是進程A退出了。此時 mm_users=0, mm_count=1
  •   在這裏就看出 mm_count 的用處了，若是隻有 mm_users 的話，這裏 mm_users=0 就會釋放 mm_struct，從而有可能致使 內核線程B 異常。
  • - 內核線程B 執行完成後退出，這時 mm_users=0，mm_count=0，能夠安全釋放 mm_struct 了

 

補充說明2：爲什麼內核線程會使用用戶空間的 mm_struct？

對Linux來講，用戶進程和內核線程都是task_struct的實例，

惟一的區別是內核線程是沒有進程地址空間的（內核線程使用的內核地址空間），內核線程的mm描述符是NULL，即內核線程的tsk->mm域是空（NULL）。

內核調度程序在進程上下文的時候，會根據tsk->mm判斷即將調度的進程是用戶進程仍是內核線程。

可是雖然內核線程不用訪問用戶進程地址空間，可是仍然須要頁表來訪問內核本身的空間。

而任何用戶進程來講，他們的內核空間都是100%相同的，因此內核會借用上一個被調用的用戶進程的mm_struct中的頁表來訪問內核地址，這個mm_struct就記錄在active_mm。

 

簡而言之就是，對於內核線程，tsk->mm == NULL表示本身內核線程的身份，而tsk->active_mm是借用上一個用戶進程的mm_struct，用mm_struct的頁表來訪問內核空間。

對於用戶進程，tsk->mm == tsk->active_mm。

 

補充說明3：除了 mm_users 和 mm_count 以外，還有 mmap 和 mm_rb 須要說明如下：

其實 mmap 和 mm_rb 都是保存此 進程地址空間中全部的內存區域(VMA)的，前者是以鏈表形式存放，後者以紅黑樹形式存放。

用2種數據結構組織同一種數據是爲了便於對VMA進行高效的操做。

 

1.2 mm_struct操做

1. 分配進程地址空間

參考 kernel/fork.c 中的宏 allocate_mm

#define allocate_mm()    (kmem_cache_alloc(mm_cachep, GFP_KERNEL))
#define free_mm(mm)    (kmem_cache_free(mm_cachep, (mm)))

 

其實分配進程地址空間時，都是從slab高速緩存中分配的，能夠經過 /proc/slabinfo 查看 mm_struct 的高速緩存

# cat /proc/slabinfo | grep mm_struct
mm_struct             35     45   1408    5    2 : tunables   24   12    8 : slabdata      9      9      0

 

2. 撤銷進程地址空間

參考 kernel/exit.c 中的 exit_mm() 函數

該函數會調用 mmput() 函數減小 mm_users 的值，

當 mm_users=0 時，調用 mmdropo() 函數， 減小 mm_count 的值，

若是 mm_count=0，那麼調用 free_mm 宏，將 mm_struct 還給 slab高速緩存

 

3. 查看進程佔用的內存：

cat /proc/<PID>/maps
或者
pmap PID

 

2. 虛擬內存區域(VMA)

內存區域在linux中也被稱爲虛擬內存區域(VMA)，它其實就是進程地址空間上一段連續的內存範圍。

 

2.1 VMA介紹

VMA的定義也在 <linux/mm_types.h> 中

struct vm_area_struct {
    struct mm_struct * vm_mm;    /* 相關的 mm_struct 結構體 */
    unsigned long vm_start;        /* 內存區域首地址 */
    unsigned long vm_end;        /* 內存區域尾地址 */

    /* linked list of VM areas per task, sorted by address */
    struct vm_area_struct *vm_next, *vm_prev;  /* VMA鏈表 */

    pgprot_t vm_page_prot;        /* 訪問控制權限 */
    unsigned long vm_flags;        /* 標誌 */

    struct rb_node vm_rb;       /* 樹上的VMA節點 */

    /*
     * 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 raw_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. */
    const struct vm_operations_struct *vm_ops;

    /* Information about our backing store: */
    unsigned long vm_pgoff;        /* Offset (within vm_file) in PAGE_SIZE
                       units, *not* PAGE_CACHE_SIZE */
    struct file * vm_file;        /* File we map to (can be 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
};

 

這個結構體各個字段的英文註釋都比較詳細，就不一一翻譯了。

上述屬性中的 vm_flags 標識了此VM 對 VMA和頁面的影響：

vm_flags 的宏定義參見 <linux/mm.h>

標誌

對VMA及其頁面的影響
VM_READ 頁面可讀取
VM_WRITE 頁面可寫
VM_EXEC 頁面可執行
VM_SHARED 頁面可共享
VM_MAYREAD VM_READ 標誌可被設置
VM_MAYWRITER VM_WRITE 標誌可被設置
VM_MAYEXEC VM_EXEC 標誌可被設置
VM_MAYSHARE VM_SHARE 標誌可被設置
VM_GROWSDOWN 區域可向下增加
VM_GROWSUP 區域可向上增加
VM_SHM 區域可用做共享內存
VM_DENYWRITE 區域映射一個不可寫文件
VM_EXECUTABLE 區域映射一個可執行文件
VM_LOCKED 區域中的頁面被鎖定
VM_IO 區域映射設備I/O空間
VM_SEQ_READ 頁面可能會被連續訪問
VM_RAND_READ 頁面可能會被隨機訪問
VM_DONTCOPY 區域不能在 fork() 時被拷貝
VM_DONTEXPAND 區域不能經過 mremap() 增長
VM_RESERVED 區域不能被換出
VM_ACCOUNT 該區域時一個記帳 VM 對象
VM_HUGETLB 區域使用了 hugetlb 頁面
VM_NONLINEAR 該區域是非線性映射的

 

2.2 VMA操做

vm_area_struct 結構體定義中有個 vm_ops 屬性，其中定義了內核操做 VMA 的方法

/*
 * 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);  /* 指定內存區域加入到一個地址空間時，該函數被調用 */
    void (*close)(struct vm_area_struct * area); /* 指定內存區域從一個地址空間刪除時，該函數被調用 */
    int (*fault)(struct vm_area_struct *vma, struct vm_fault *vmf); /* 當沒有出如今物理頁面中的內存被訪問時，該函數被調用 */

    /* 當一個以前只讀的頁面變爲可寫時，該函數被調用，
     * 若是此函數出錯，將致使一個 SIGBUS 信號 */
    int (*page_mkwrite)(struct vm_area_struct *vma, struct vm_fault *vmf);

    /* 當 get_user_pages() 調用失敗時, 該函數被 access_process_vm() 函數調用 */
    int (*access)(struct vm_area_struct *vma, unsigned long addr,
              void *buf, int len, int write);
#ifdef CONFIG_NUMA
    /*
     * set_policy() op must add a reference to any non-NULL @new mempolicy
     * to hold the policy upon return.  Caller should pass NULL @new to
     * remove a policy and fall back to surrounding context--i.e. do not
     * install a MPOL_DEFAULT policy, nor the task or system default
     * mempolicy.
     */
    int (*set_policy)(struct vm_area_struct *vma, struct mempolicy *new);

    /*
     * get_policy() op must add reference [mpol_get()] to any policy at
     * (vma,addr) marked as MPOL_SHARED.  The shared policy infrastructure
     * in mm/mempolicy.c will do this automatically.
     * get_policy() must NOT add a ref if the policy at (vma,addr) is not
     * marked as MPOL_SHARED. vma policies are protected by the mmap_sem.
     * If no [shared/vma] mempolicy exists at the addr, get_policy() op
     * must return NULL--i.e., do not "fallback" to task or system default
     * policy.
     */
    struct mempolicy *(*get_policy)(struct vm_area_struct *vma,
                    unsigned long addr);
    int (*migrate)(struct vm_area_struct *vma, const nodemask_t *from,
        const nodemask_t *to, unsigned long flags);
#endif
};

除了以上的操做以外，還有一些輔助函數來方便內核操做內存區域。

這些輔助函數均可以在 <linux/mm.h> 中找到

1. 查找地址空間

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

/* Look up the first VMA which intersects the interval start_addr..end_addr-1,
   NULL if none.  Assume start_addr < end_addr. */
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;
}

 

2. 建立地址區間

static inline unsigned long do_mmap(struct file *file, unsigned long addr,
    unsigned long len, unsigned long prot,
    unsigned long flag, unsigned long offset)
{
    unsigned long ret = -EINVAL;
    if ((offset + PAGE_ALIGN(len)) < offset)
        goto out;
    if (!(offset & ~PAGE_MASK))
        ret = do_mmap_pgoff(file, addr, len, prot, flag, offset >> PAGE_SHIFT);
out:
    return ret;
}

 

3. 刪除地址區間

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

 

3. 地址空間和頁表

地址空間中的地址都是虛擬內存中的地址，而CPU須要操做的是物理內存，因此須要一個將虛擬地址映射到物理地址的機制。

這個機制就是頁表，linux中使用3級頁面來完成虛擬地址到物理地址的轉換。

1. PGD - 全局頁目錄，包含一個 pgd_t 類型數組，多數體系結構中 pgd_t 類型就是一個無符號長整型

2. PMD - 中間頁目錄，它是個 pmd_t 類型數組

3. PTE - 簡稱頁表，包含一個 pte_t 類型的頁表項，該頁表項指向物理頁面

 

虛擬地址 - 頁表 - 物理地址的關係以下圖：

VM-PM

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