linux进程地址空间--vma的基本操作【转】

转自：http://blog.csdn.net/vanbreaker/article/details/7855007

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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

1. <span style="font-size:12px;">struct vm_area_struct {
2. struct mm_struct * vm_mm;   /* 所属的内存描述符 */
3. unsigned long vm_start;    /* vma的起始地址 */
4. unsigned long vm_end;       /* vma的结束地址 */
5. /* 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*/
6. struct vm_area_struct *vm_next, *vm_prev;
7. pgprot_t vm_page_prot;      /* vma的访问权限 */
8. unsigned long vm_flags;    /* 标识集 */
9. struct rb_node vm_rb;      /* 红黑树中对应的节点 */
10. /*
11. * For areas with an address space and backing store,
12. * linkage into the address_space->i_mmap prio tree, or
13. * linkage to the list of like vmas hanging off its node, or
14. * linkage of vma in the address_space->i_mmap_nonlinear list.
15. */
16. /* shared联合体用于和address space关联 */
17. union {
18. struct {
19. struct list_head list;/* 用于链入非线性映射的链表 */
20. void *parent;   /* aligns with prio_tree_node parent */
21. struct vm_area_struct *head;
22. } vm_set;
23. struct raw_prio_tree_node prio_tree_node;/*线性映射则链入i_mmap优先树*/
24. } shared;
25. /*
26. * A file's MAP_PRIVATE vma can be in both i_mmap tree and anon_vma
27. * list, after a COW of one of the file pages.  A MAP_SHARED vma
28. * can only be in the i_mmap tree.  An anonymous MAP_PRIVATE, stack
29. * or brk vma (with NULL file) can only be in an anon_vma list.
30. */
31. /*anno_vma_node和annon_vma用于管理源自匿名映射的共享页*/
32. struct list_head anon_vma_node; /* Serialized by anon_vma->lock */
33. struct anon_vma *anon_vma;  /* Serialized by page_table_lock */
34. /* Function pointers to deal with this struct. */
35. /*该vma上的各种标准操作函数指针集*/
36. const struct vm_operations_struct *vm_ops;
37. /* Information about our backing store: */
38. unsigned long vm_pgoff;     /* 映射文件的偏移量，以PAGE_SIZE为单位 */
39. struct file * vm_file;          /* 映射的文件，没有则为NULL */
40. void * vm_private_data;     /* was vm_pte (shared mem) */
41. unsigned long vm_truncate_count;/* truncate_count or restart_addr */
42. #ifndef CONFIG_MMU
43. struct vm_region *vm_region;    /* NOMMU mapping region */
44. #endif
45. #ifdef CONFIG_NUMA
46. struct mempolicy *vm_policy;    /* NUMA policy for the VMA */
47. #endif
48. };
49. </span>

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

1. struct address_space {
2. struct inode        *host;      /* owner: inode, block_device */
3. ...
4. struct prio_tree_root   i_mmap;     /* tree of private and shared mappings */
5. struct list_head    i_mmap_nonlinear;          /*list VM_NONLINEAR mappings */
6. ...
7. } __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

1. struct vm_area_struct *find_vma(struct mm_struct *mm, unsigned long addr)
2. {
3. struct vm_area_struct *vma = NULL;
4. if (mm) {
5. /* Check the cache first. */
6. /* (Cache hit rate is typically around 35%.) */
7. vma = mm->mmap_cache; //首先尝试mmap_cache中缓存的vma
8. /*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
9. 1.缓存vma不存在
10. 2.缓存vma的结束地址小于给定的地址
11. 3.缓存vma的起始地址大于给定的地址*/
12. if (!(vma && vma->vm_end > addr && vma->vm_start <= addr)) {
13. struct rb_node * rb_node;
14. rb_node = mm->mm_rb.rb_node;//获取红黑树根节点
15. vma = NULL;
16. while (rb_node) {
17. struct vm_area_struct * vma_tmp;
18. vma_tmp = rb_entry(rb_node,   //获取节点对应的vma
19. struct vm_area_struct, vm_rb);
20. /*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
21. 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
22. 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
23. 给定地址最近的vma并且该vma的结束地址要大于给定地址*/
24. if (vma_tmp->vm_end > addr) {
25. vma = vma_tmp;
26. if (vma_tmp->vm_start <= addr)
27. break;
28. rb_node = rb_node->rb_left;
29. } else
30. rb_node = rb_node->rb_right;
31. }
32. if (vma)
33. mm->mmap_cache = vma;//将结果保存在缓存中
34. }
35. }
36. return vma;
37. }

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

1. struct vm_area_struct *vma_merge(struct mm_struct *mm,
2. struct vm_area_struct *prev, unsigned long addr,
3. unsigned long end, unsigned long vm_flags,
4. struct anon_vma *anon_vma, struct file *file,
5. pgoff_t pgoff, struct mempolicy *policy)
6. {
7. pgoff_t pglen = (end - addr) >> PAGE_SHIFT;
8. struct vm_area_struct *area, *next;
9. /*
10. * We later require that vma->vm_flags == vm_flags,
11. * so this tests vma->vm_flags & VM_SPECIAL, too.
12. */
13. if (vm_flags & VM_SPECIAL)
14. return NULL;
15. if (prev)//指定了先驱vma，则获取先驱vma的后驱vma
16. next = prev->vm_next;
17. else     //否则指定mm的vma链表中的第一个元素为后驱vma
18. next = mm->mmap;
19. area = next;
20. /*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，
21. 也就是说两者有重叠，那么调整后驱vma*/
22. if (next && next->vm_end == end)     /* cases 6, 7, 8 */
23. next = next->vm_next;
24. /*
25. * 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:
26. 1.前驱vma必须存在
27. 2.前驱vma的结束地址正好等于给定区域的起始地址
28. 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
29. 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
30. */
31. if (prev && prev->vm_end == addr &&
32. mpol_equal(vma_policy(prev), policy) &&
33. can_vma_merge_after(prev, vm_flags,
34. anon_vma, file, pgoff)) {
35. /*
36. *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，
37. 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
38. 前驱、后驱vma的匿名映射可以合并
39. */
40. if (next && end == next->vm_start &&
41. mpol_equal(policy, vma_policy(next)) &&
42. can_vma_merge_before(next, vm_flags,
43. anon_vma, file, pgoff+pglen) &&
44. is_mergeable_anon_vma(prev->anon_vma,
45. next->anon_vma)) {
46. /* cases 1, 6 */
47. vma_adjust(prev, prev->vm_start,
48. next->vm_end, prev->vm_pgoff, NULL);
49. } else                  /* cases 2, 5, 7 */
50. vma_adjust(prev, prev->vm_start,
51. end, prev->vm_pgoff, NULL);
52. return prev;
53. }
54. /*
55. * Can this new request be merged in front of next?
56. */
57. /*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*/
58. if (next && end == next->vm_start &&
59. mpol_equal(policy, vma_policy(next)) &&
60. can_vma_merge_before(next, vm_flags,
61. anon_vma, file, pgoff+pglen)) {
62. if (prev && addr < prev->vm_end)  /* case 4 */
63. vma_adjust(prev, prev->vm_start,
64. addr, prev->vm_pgoff, NULL);
65. else                    /* cases 3, 8 */
66. vma_adjust(area, addr, next->vm_end,
67. next->vm_pgoff - pglen, NULL);
68. return area;
69. }
70. return NULL;
71. }

vma_adjust会执行具体的合并调整操作

1. void vma_adjust(struct vm_area_struct *vma, unsigned long start,
2. unsigned long end, pgoff_t pgoff, struct vm_area_struct *insert)
3. {
4. struct mm_struct *mm = vma->vm_mm;
5. struct vm_area_struct *next = vma->vm_next;
6. struct vm_area_struct *importer = NULL;
7. struct address_space *mapping = NULL;
8. struct prio_tree_root *root = NULL;
9. struct file *file = vma->vm_file;
10. struct anon_vma *anon_vma = NULL;
11. long adjust_next = 0;
12. int remove_next = 0;
13. if (next && !insert) {
14. /*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*/
15. if (end >= next->vm_end) {
16. /*
17. * vma expands, overlapping all the next, and
18. * perhaps the one after too (mprotect case 6).
19. */
20. again:          remove_next = 1 + (end > next->vm_end);//确定是否超过了后驱vma
21. end = next->vm_end;
22. anon_vma = next->anon_vma;
23. importer = vma;
24. } else if (end > next->vm_start) {/*指定的区域和后驱vma部分重合*/
25. /*
26. * vma expands, overlapping part of the next:
27. * mprotect case 5 shifting the boundary up.
28. */
29. adjust_next = (end - next->vm_start) >> PAGE_SHIFT;
30. anon_vma = next->anon_vma;
31. importer = vma;
32. } else if (end < vma->vm_end) {/*指定的区域没到达后驱vma的结束处*/
33. /*
34. * vma shrinks, and !insert tells it's not
35. * split_vma inserting another: so it must be
36. * mprotect case 4 shifting the boundary down.
37. */
38. adjust_next = - ((vma->vm_end - end) >> PAGE_SHIFT);
39. anon_vma = next->anon_vma;
40. importer = next;
41. }
42. }
43. if (file) {//如果有映射文件
44. mapping = file->f_mapping;//获取文件对应的address_space
45. if (!(vma->vm_flags & VM_NONLINEAR))
46. root = &mapping->i_mmap;
47. spin_lock(&mapping->i_mmap_lock);
48. if (importer &&
49. vma->vm_truncate_count != next->vm_truncate_count) {
50. /*
51. * unmap_mapping_range might be in progress:
52. * ensure that the expanding vma is rescanned.
53. */
54. importer->vm_truncate_count = 0;
55. }
56. /*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
57. 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)*/
58. if (insert) {
59. insert->vm_truncate_count = vma->vm_truncate_count;
60. /*
61. * Put into prio_tree now, so instantiated pages
62. * are visible to arm/parisc __flush_dcache_page
63. * throughout; but we cannot insert into address
64. * space until vma start or end is updated.
65. */
66. __vma_link_file(insert);
67. }
68. }
69. /*
70. * When changing only vma->vm_end, we don't really need
71. * anon_vma lock.
72. */
73. if (vma->anon_vma && (insert || importer || start != vma->vm_start))
74. anon_vma = vma->anon_vma;
75. if (anon_vma) {
76. spin_lock(&anon_vma->lock);
77. /*
78. * Easily overlooked: when mprotect shifts the boundary,
79. * make sure the expanding vma has anon_vma set if the
80. * shrinking vma had, to cover any anon pages imported.
81. */
82. if (importer && !importer->anon_vma) {
83. importer->anon_vma = anon_vma;
84. __anon_vma_link(importer);//将importer插入importer的anon_vma匿名映射链表中
85. }
86. }
87. if (root) {
88. flush_dcache_mmap_lock(mapping);
89. vma_prio_tree_remove(vma, root);
90. if (adjust_next)
91. vma_prio_tree_remove(next, root);
92. }
93. /*调整vma的相关量*/
94. vma->vm_start = start;
95. vma->vm_end = end;
96. vma->vm_pgoff = pgoff;
97. if (adjust_next) {//调整后驱vma的相关量
98. next->vm_start += adjust_next << PAGE_SHIFT;
99. next->vm_pgoff += adjust_next;
100. }
101. if (root) {
102. if (adjust_next)//如果后驱vma被调整了，则重新插入到优先树中
103. vma_prio_tree_insert(next, root);
104. vma_prio_tree_insert(vma, root);//将vma插入到优先树中
105. flush_dcache_mmap_unlock(mapping);
106. }
107. if (remove_next) {//给定区域与后驱vma有重合
108. /*
109. * vma_merge has merged next into vma, and needs
110. * us to remove next before dropping the locks.
111. */
112. __vma_unlink(mm, next, vma);//将后驱vma从红黑树中删除
113. if (file)//将后驱vma从文件对应的address space中删除
114. __remove_shared_vm_struct(next, file, mapping);
115. if (next->anon_vma)//将后驱vma从匿名映射链表中删除
116. __anon_vma_merge(vma, next);
117. } else if (insert) {
118. /*
119. * split_vma has split insert from vma, and needs
120. * us to insert it before dropping the locks
121. * (it may either follow vma or precede it).
122. */
123. __insert_vm_struct(mm, insert);//将待插入的vma插入mm的红黑树，双向链表以及
124. //匿名映射链表
125. }
126. if (anon_vma)
127. spin_unlock(&anon_vma->lock);
128. if (mapping)
129. spin_unlock(&mapping->i_mmap_lock);
130. if (remove_next) {
131. if (file) {
132. fput(file);
133. if (next->vm_flags & VM_EXECUTABLE)
134. removed_exe_file_vma(mm);
135. }
136. mm->map_count--;
137. mpol_put(vma_policy(next));
138. kmem_cache_free(vm_area_cachep, next);
139. /*
140. * In mprotect's case 6 (see comments on vma_merge),
141. * we must remove another next too. It would clutter
142. * up the code too much to do both in one go.
143. */
144. if (remove_next == 2) {//还有待删除的区域
145. next = vma->vm_next;
146. goto again;
147. }
148. }
149. validate_mm(mm);
150. }

insert_vm_struct()函数用于插入一块新区域

1. int insert_vm_struct(struct mm_struct * mm, struct vm_area_struct * vma)
2. {
3. struct vm_area_struct * __vma, * prev;
4. struct rb_node ** rb_link, * rb_parent;
5. /*
6. * The vm_pgoff of a purely anonymous vma should be irrelevant
7. * until its first write fault, when page's anon_vma and index
8. * are set.  But now set the vm_pgoff it will almost certainly
9. * end up with (unless mremap moves it elsewhere before that
10. * first wfault), so /proc/pid/maps tells a consistent story.
11. *
12. * By setting it to reflect the virtual start address of the
13. * vma, merges and splits can happen in a seamless way, just
14. * using the existing file pgoff checks and manipulations.
15. * Similarly in do_mmap_pgoff and in do_brk.
16. */
17. if (!vma->vm_file) {
18. BUG_ON(vma->anon_vma);
19. vma->vm_pgoff = vma->vm_start >> PAGE_SHIFT;
20. }
21. /*__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:
22. 1.prev用来保存对应的前驱vma
23. 2.rb_link保存该vma区域插入对应的红黑树节点
24. 3.rb_parent保存该vma区域对应的父节点*/
25. __vma = find_vma_prepare(mm,vma->vm_start,&prev,&rb_link,&rb_parent);
26. if (__vma && __vma->vm_start < vma->vm_end)
27. return -ENOMEM;
28. if ((vma->vm_flags & VM_ACCOUNT) &&
29. security_vm_enough_memory_mm(mm, vma_pages(vma)))
30. return -ENOMEM;
31. vma_link(mm, vma, prev, rb_link, rb_parent);//将vma关联到所有的数据结构中
32. return 0;
33. }

1. static void vma_link(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma,
2. struct vm_area_struct *prev, struct rb_node **rb_link,
3. struct rb_node *rb_parent)
4. {
5. struct address_space *mapping = NULL;
6. if (vma->vm_file)//如果存在文件映射则获取文件对应的地址空间
7. mapping = vma->vm_file->f_mapping;
8. if (mapping) {
9. spin_lock(&mapping->i_mmap_lock);
10. vma->vm_truncate_count = mapping->truncate_count;
11. }
12. anon_vma_lock(vma);
13. /*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*/
14. __vma_link(mm, vma, prev, rb_link, rb_parent);
15. __vma_link_file(vma);//将vma插入到文件地址空间的相应数据结构中
16. anon_vma_unlock(vma);
17. if (mapping)
18. spin_unlock(&mapping->i_mmap_lock);
19. mm->map_count++;
20. validate_mm(mm);
21. }

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();

1. unsigned long
2. arch_get_unmapped_area(struct file *filp, unsigned long addr,
3. unsigned long len, unsigned long pgoff, unsigned long flags)
4. {
5. struct mm_struct *mm = current->mm;
6. struct vm_area_struct *vma;
7. unsigned long start_addr;
8. if (len > TASK_SIZE)
9. return -ENOMEM;
10. if (flags & MAP_FIXED)
11. return addr;
12. if (addr) {
13. addr = PAGE_ALIGN(addr);//将地址按页对齐
14. 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
15. /*这里确定是否有一块适合的空闲区域，先要保证addr+len不会
16. 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
17. vma位于addr的后面并且addr+len不会延伸到该vma的区域*/
18. if (TASK_SIZE - len >= addr &&
19. (!vma || addr + len <= vma->vm_start))
20. return addr;
21. }
22. /*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
23. 或者TASK_UNMAPPED_BASE=TASK_SIZE/3*/
24. if (len > mm->cached_hole_size) {
25. start_addr = addr = mm->free_area_cache;
26. } else {
27. start_addr = addr = TASK_UNMAPPED_BASE;
28. mm->cached_hole_size = 0;
29. }
30. full_search:
31. /*从addr开始遍历用户地址空间*/
32. for (vma = find_vma(mm, addr); ; vma = vma->vm_next) {
33. /* At this point:  (!vma || addr < vma->vm_end). */
34. 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
35. /*
36. * Start a new search - just in case we missed
37. * some holes.
38. */
39. //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
40. if (start_addr != TASK_UNMAPPED_BASE) {
41. addr = TASK_UNMAPPED_BASE;
42. start_addr = addr;
43. mm->cached_hole_size = 0;
44. goto full_search;
45. }
46. return -ENOMEM;
47. }
48. if (!vma || addr + len <= vma->vm_start) {//判断是否有空闲区域
49. /*
50. *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
51. */
52. mm->free_area_cache = addr + len;
53. return addr;
54. }
55. /*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
56. 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*/
57. if (addr + mm->cached_hole_size < vma->vm_start)
58. mm->cached_hole_size = vma->vm_start - addr;
59. addr = vma->vm_end;
60. }
61. }