《Linux内核设计与实现》ch14

《Linux内核设计与实现》ch14
2010年12月08日
　　进程地址空间
　　内核除了管理本身的内存外，还必须管理进程的地址空间。Linux采用虚拟内存技术，因此系统中所有进程之间以虚拟方式共享内存。
　　每个进程都有一个32或64位的平坦(flat，指地址范围是一个独立的连续区间)地址空间，大小取决于体系结构。
　　通常每个进程都有唯一的这种平坦地址空间，而且地址空间之间互不相干。但是进程之间也可以选择共享地址空间，我们称这样的进程为线程。
　　在地址空间中，我们往往更关心的是进程有权访问的虚拟内存地址空间，这些可被访问的合法地址区间被称为内存区域(memory area)。通过内核，进程可以给自己的地址空间动态的添加或减少内存区域。
　　进程只能范围有效范围内的内存地址，同时必须遵循特定的访问属性，如只读、只写。
　　内存区域可以包含各种内存对象：
　　.代码段，可执行文件代码的内存映射；
　　.数据段，可执行文件的已初始化的全局变量的内存映射；
　　.bss段，未初始化全局变量；
　　.用于进程的用户空间栈(不要和进程内核栈混淆，进程的内核栈独立存在并由内核维护)；
　　.C库或动态链接程序等共享库的代码段、数据段、bss段；
　　.任何内存映射文件；
　　.任何共享内存段；
　　.任何匿名内存映射，比如有malloc()分配的内存；
　　14.1内存描述符
　　内核使用内存描述符结构体表示进程的地址空间，该结构体包含了和进程地址空间有关的全部信息。内存描述符由mm_struct结构体表示，定义在中。
　　mm_users域记录正在使用该地址的进程数目；
　　mm_count域是mm_struct结构体的主引用计数。只要mm_users不为0，那么后者为1。当mm_count的值为0时，说明已经没有任何指向该mm_struct结构体的引用了，这时该结构体会被销毁；
　　mmap和mm_rb这两个不同的数据结构描述的对象是相同的：该地址空间中的全部内存区域。前者是链表(适合简单、高效的遍历)形式，后者是红-黑树(适合搜索指定元素)的形式；
　　所有的mm_struct结构体都通过自身的mmlist域连接在一个双向链表中，该链表的首元素是init_mm内存描述符，它代表了init进程的地址空间。操作该链表的时候需要使用mmlist_lock锁来防止并发访问。
　　14.1.1分配内存描述符
　　在进程的进程描述符中，mm域存放着该进程使用的内存描述符，所以current->mm便指向当前进程中的内存描述符。
　　fork()函数利用copy_mm()函数复制父进程的内存描述符，也就是current->mm域给其子进程，而子进程中的mm_struct结构体实际上是通过文件kernel/fork.c中的allocate_mm()宏从mm_cachep slab缓存中分配得到的。
　　通常每个进程都有唯一的mm_struct结构体，即唯一的进程地址空间。
　　如果父进程希望和其子进程共享地址空间，可以在调用clone()时，设置CLONE_VM标志。我们把这样的进程叫做线程。
　　14.1.2销毁内存描述符
　　进程退出时，内核会调用exit_mm()函数，执行一些常规的销毁工作，同时更新一些统计量。
　　14.1.3内核线程
　　内核线程没有进程地址空间，也就没有相关的内存描述符，所以内核线程对应的进程描述符中mm域为空。这也正是内核线程的真实含义－－没有用户上下文。
　　14.2内存区域
　　内存区域由vm_area_struct结构体描述，定义在文件中，内存区域在内核中也经常被称作虚拟内存区域或VMA。
　　vm_area_struct结构体描述了指定地址空间内连续区间上的一个独立内存范围。内核将每个内存区域作为一个单独的内存对象管理(注意，一个进程地址空间可以有多个内存区域)，每个内存区域都拥有一致的属性，比如访问权限等，另外，相应的操作也都一致。
　　采用面向对象方法使VMA结构体可以代表多种类型的内存区域--比如内存映射文件或进程的用户控件栈等。
　　每个VMA描述符都对应于进程地址空间中的唯一区间。
　　vm_start域指向区间的首地址，vm_end域指向区间的尾地址之后的第一个字节，因此，vm_end-vm_start的大小便是内存区域的长度。注意，在同一个地址空间中，不同的内存区域不能重叠。
　　vm_mm域指向和VMA相关的mm_struct结构体，注意每个VMA对其相关的mm_struct结构体来说是唯一的。所以即使连个独立的进程将同一个文件映射到各自的地址空间，它们分别都有一个vm_area_struct结构体来标志自己的内存区域。
　　14.2.1   VMA标志
　　VMA标志是一种位标志，定义于。它包含在vm_flags域内，标志了内存区域所包含的页面的行为和信息。和物理页的访问权限不同，VMA标志反映了内核处理页面所需要遵循的行为准则，而不是硬件要求。
　　我们来了解一下其中有趣和重要的标志，VM_READ、VM_WRITE和VM_EXEC标志了内存区域中页面的读、写和执行权限。VM_SHARE指明了内存区域包含的映射是否可以在多进程间共享，如果该标志被设置，则我们称其为共享映射；否则称之为私有映射。VM_IO标志内存区域中包含有对设备I/O空间的映射。该标志通常在设备驱动程序执行mmap()函数进行I/O空间映射时才被设置。
　　14.2.2   VMA操作
　　vm_area_struct结构体中的vm_ops域指向与指定内存区域相关的操作函数表，内核使用表中的方法操作VMA。
　　vm_area_struct作为通用对象代表了任何类型的内存区域，而操作表描述了针对特定的对象实例的特定方法。
　　操作函数表由vm_operations_struct结构体表示，定义在文件中：
　　struct vm_operations_struct
　　{
　　void        (* open)(struct vm_area_struct *);
　　void        (* close)(struct vm_area_struct *);
　　struct      page   *   (*nopage)(struct vm_area_struct   *, unsigned long, int);
　　int          ( *populate)(struct vm_area_struct   *, unsigned   long, unsigned long, pgprot_t,   unsigned   long,   int);
　　};
　　void   open(struct vm_area_struct   *area) 当指定的内存区域被加入到一个地址空间时，该函数被调用。
　　void   close(struct vm_area_struct *area) 当指定的内存区域从地址空间被删除时，该函数被调用。
　　14.2.3   实际使用中的内存区域
　　可以使用/proc文件系统和pmap(1)工具查看给定进程的内存空间可其中所含的内存区域。
　　下面列出了进程号为1764的进程的地址空间中的全部区域：
　　$pmap   1764
　　xinetd(1764)
　　08048000 (132 KB)      r-xp (08:02 392673)     /usr/sbin/xinetd
　　08069000 (4 KB)          rw-p (08:02 392673)    /usr/sbin/xi