malloc()以後，內核發生了什麼？【轉】

轉自：http://blog.csdn.net/qianlong4526888/article/details/9042835

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1. 1brk系統調用服務例程
2. 2擴大堆
3. 3缺頁異常的處理過程
1. 31do_page_fault
2. 32handle_mm_fault
3. 33handle_pte_fault
4. 34do_anonymous_page

 

考慮這樣一種常見的狀況：用戶進程調用malloc()動態分配了一塊內存空間，再對這塊內存進行訪問。這些用戶空間發生的事會引起內核空間的那些反映？本文將簡單爲您解答。

1.brk系統調用服務例程

malloc()是一個API，這個函數在庫中封裝了系統調用brk。所以若是調用malloc，那麼首先會引起brk系統調用執行的過程。brk()在內核中對應的系統調用服務例程爲SYSCALL_DEFINE1(brk, unsigned long, brk)，參數brk用來指定heap段新的結束地址，也就是從新指定mm_struct結構中的brk字段。

brk系統調用服務例程首先會肯定heap段的起始地址min_brk，而後再檢查資源的限制問題。接着，將新老heap地址分別按照頁大小對齊，對齊後的地址分別存儲與newbrk和okdbrk中。

brk()系統調用自己既能夠縮小堆大小，又能夠擴大堆大小。縮小堆這個功能是經過調用do_munmap()完成的。若是要擴大堆的大小，那麼必須先經過find_vma_intersection()檢查擴大之後的堆是否與已經存在的某個虛擬內存重合，如何重合則直接退出。不然，調用do_brk()進行接下來擴大堆的各類工做。

1	SYSCALL_DEFINE1(brk, unsigned long, brk)

2

{

3	unsignedlongrlim, retval;

4	unsignedlongnewbrk, oldbrk;

5	structmm_struct *mm = current->mm;

6	unsignedlongmin_brk;

7

8	down_write(&mm->mmap_sem);

9

10	#ifdef CONFIG_COMPAT_BRK

11	min_brk = mm->end_code;

12

#else

13	min_brk = mm->start_brk;

14

#endif

15	if(brk < min_brk)

16

gotoout;

17

18	rlim = rlimit(RLIMIT_DATA);

19	if(rlim < RLIM_INFINITY && (brk - mm->start_brk) +

20	(mm->end_data - mm->start_data) > rlim)

21

22	newbrk = PAGE_ALIGN(brk);

23	oldbrk = PAGE_ALIGN(mm->brk);

24	if(oldbrk == newbrk)

25	gotoset_brk;

26

27	if(brk brk) {

28	if(!do_munmap(mm, newbrk, oldbrk-newbrk))

29	gotoset_brk;

30

gotoout;

31

}

32

33	if(find_vma_intersection(mm, oldbrk, newbrk+PAGE_SIZE))

34

gotoout;

35

36	if(do_brk(oldbrk, newbrk-oldbrk) != oldbrk)

37

gotoout;

38

set_brk:

39	mm->brk = brk;

40

out:

41	retval = mm->brk;

42	up_write(&mm->mmap_sem);

43	returnretval;

44

}

brk系統調用服務例程最後將返回堆的新結束地址。

2.擴大堆

用戶進程調用malloc()會使得內核調用brk系統調用服務例程，由於malloc老是動態的分配內存空間，所以該服務例程此時會進入第二條執行路徑中，即擴大堆。do_brk()主要完成如下工做：

1.經過get_unmapped_area()在當前進程的地址空間中查找一個符合len大小的線性區間，而且該線性區間的必須在addr地址以後。若是找到了這個空閒的線性區間，則返回該區間的起始地址，不然返回錯誤代碼-ENOMEM；

2.經過find_vma_prepare()在當前進程全部線性區組成的紅黑樹中依次遍歷每一個vma，以肯定上一步找到的新區間以前的線性區對象的位置。若是addr位於某個現存的vma中，則調用do_munmap()刪除這個線性區。若是刪除成功則繼續查找，不然返回錯誤代碼。

3.目前已經找到了一個合適大小的空閒線性區，接下來經過vma_merge()去試着將當前的線性區與臨近的線性區進行合併。若是合併成功，那麼該函數將返回prev這個線性區的vm_area_struct結構指針，同時結束do_brk()。不然，繼續分配新的線性區。

4.接下來經過kmem_cache_zalloc()在特定的slab高速緩存vm_area_cachep中爲這個線性區分配vm_area_struct結構的描述符。

5.初始化vma結構中的各個字段。

6.更新mm_struct結構中的vm_total字段，它用來同級當前進程所擁有的vma數量。

7.若是當前vma設置了VM_LOCKED字段，那麼經過mlock_vma_pages_range()當即爲這個線性區分配物理頁框。不然，do_brk()結束。

能夠看到，do_brk()主要是爲當前進程分配一個新的線性區，在沒有設置VM_LOCKED標誌的狀況下，它不會馬上爲該線性區分配物理頁框，而是經過vma一直將分配物理內存的工做進行延遲，直至發生缺頁異常。

3.缺頁異常的處理過程

通過上面的過程，malloc()返回了線性地址，若是此時用戶進程訪問這個線性地址，那麼就會發生缺頁異常（Page Fault）。整個缺頁異常的處理過程很是複雜，咱們這裏只關注與malloc()有關的那一條執行路徑。

當CPU產生一個異常時，將會跳轉到異常處理的整個處理流程中。對於缺頁異常，CPU將跳轉到page_fault異常處理程序中：

1	//linux-2.6.34/arch/x86/kernel/entry_32.S

2	ENTRY(page_fault)

3	RING0_EC_FRAME

4	pushl $do_page_fault

5	CFI_ADJUST_CFA_OFFSET 4

6

ALIGN

7	error_code:

8

…………

9	jmp ret_from_exception

10	CFI_ENDPROC

11	END(page_fault)

該異常處理程序會調用do_page_fault()函數，該函數經過讀取CR2寄存器得到引發缺頁的線性地址，經過各類條件判斷以便肯定一個合適的方案來處理這個異常。

3.1.do_page_fault()

該函數經過各類條件來檢測當前發生異常的狀況，但至少do_page_fault()會區分出引起缺頁的兩種狀況：由編程錯誤引起異常，以及由進程地址空間中還未分配物理內存的線性地址引起。對於後一種狀況，一般還分爲用戶空間所引起的缺頁異常和內核空間引起的缺頁異常。

內核引起的異常是由vmalloc()產生的，它只用於內核空間內存的分配。顯然，咱們這裏須要關注的是用戶空間所引起的異常狀況。這部分工做從do_page_fault()中的good_area標號處開始執行，主要經過handle_mm_fault()完成。

1	//linux-2.6.34/arch/x86/mm/fault.c

2	dotraplinkagevoid__kprobes

3	do_page_fault(structpt_regs *regs, unsigned longerror_code)

4

{

5

…… ……

6	good_area:

7	write = error_code & PF_WRITE;

8

9	if(unlikely(access_error(error_code, write, vma))) {

10	bad_area_access_error(regs, error_code, address);

11

return;

12

}

13	fault = handle_mm_fault(mm, vma, address, write ? FAULT_FLAG_WRITE : 0);

14

…… ……

15

}

3.2.handle_mm_fault()

該函數的主要功能是爲引起缺頁的進程分配一個物理頁框，它先肯定與引起缺頁的線性地址對應的各級頁目錄項是否存在，如何不存在則分進行分配。具體如何分配這個頁框是經過調用handle_pte_fault()完成的。

1	inthandle_mm_fault(structmm_struct *mm, structvm_area_struct *vma,

2	unsignedlongaddress, unsigned intflags)

3

{

4	pgd_t *pgd;

5	pud_t *pud;

6	pmd_t *pmd;

7	pte_t *pte;

8

…… ……

9	pgd = pgd_offset(mm, address);

10	pud = pud_alloc(mm, pgd, address);

11

if(!pud)

12	returnVM_FAULT_OOM;

13	pmd = pmd_alloc(mm, pud, address);

14

if(!pmd)

15	returnVM_FAULT_OOM;

16	pte = pte_alloc_map(mm, pmd, address);

17

if(!pte)

18	returnVM_FAULT_OOM;

19	returnhandle_pte_fault(mm, vma, address, pte, pmd, flags);

20

}

3.3.handle_pte_fault()

該函數根據頁表項pte所描述的物理頁框是否在物理內存中，分爲兩大類：

請求調頁：被訪問的頁框再也不主存中，那麼此時必須分配一個頁框。

寫時複製：被訪問的頁存在，可是該頁是隻讀的，內核須要對該頁進行寫操做，此時內核將這個已存在的只讀頁中的數據複製到一個新的頁框中。

用戶進程訪問由malloc()分配的內存空間屬於第一種狀況。對於請求調頁，handle_pte_fault()仍然將其細分爲三種狀況：

1	staticinline int handle_pte_fault(structmm_struct *mm,

2	structvm_area_struct *vma, unsigned longaddress,

3	pte_t *pte, pmd_t *pmd, unsigned intflags)

4

{

5

…… ……

6	if(!pte_present(entry)) {

7	if(pte_none(entry)) {

8	if(vma->vm_ops) {

9	if(likely(vma->vm_ops->fault))

10	returndo_linear_fault(mm, vma, address,

11	pte, pmd, flags, entry);

12

}

13	returndo_anonymous_page(mm, vma, address,

14	pte, pmd, flags);

15

}

16	if(pte_file(entry))

17	returndo_nonlinear_fault(mm, vma, address,

18	pte, pmd, flags, entry);

19	returndo_swap_page(mm, vma, address,

20	pte, pmd, flags, entry);

21

}

22

…… ……

23

}

1.若是頁表項確實爲空（pte_none(entry)），那麼必須分配頁框。若是當前進程實現了vma操做函數集合中的fault鉤子函數，那麼這種狀況屬於基於文件的內存映射，它調用do_linear_fault()進行分配物理頁框。不然，內核將調用針對匿名映射分配物理頁框的函數do_anonymous_page()。

2.若是檢測出該頁表項爲非線性映射（pte_file(entry)），則調用do_nonlinear_fault()分配物理頁。

3.若是頁框事先被分配，可是此刻已經由主存換出到了外存，則調用do_swap_page()完成頁框分配。

由malloc分配的內存將會調用do_anonymous_page()分配物理頁框。

3.4.do_anonymous_page()

此時，缺頁異常處理程序終於要爲當前進程分配物理頁框了。它經過alloc_zeroed_user_highpage_movable()來完成這個過程。咱們層層撥開這個函數的外衣，發現它最終調用了alloc_pages()。

1	staticint do_anonymous_page(structmm_struct *mm, structvm_area_struct *vma,

2	unsignedlongaddress, pte_t *page_table, pmd_t *pmd,

3	unsignedintflags)

4

{

5

…… ……

6	if(unlikely(anon_vma_prepare(vma)))

7

gotooom;

8	page = alloc_zeroed_user_highpage_movable(vma, address);

9

if(!page)

10

gotooom;

11

…… ……

12

}

通過這樣一個複雜的過程，用戶進程所訪問的線性地址終於對應到了一塊物理內存。

參考：

1.《深刻理解LINUX內核》

2.《深刻LINUX內核架構》

 

原文地址：http://edsionte.com/techblog/archives/4174