Linux进程的内存管理举例分析

几个关键的数据结构

一个进程的虚拟地址空间主要由两个数据结来描述，一个是 mm_struct，一个是 vm_area_structs。

• mm_struct结构描述了一个进程的整个虚拟地址空间，vm_area_truct描述了虚拟地址空间的一个区间（简称虚拟区）。下图就是我们所说的由task_struct到mm_struct，进程的地址空间的分布。

每一个进程都会有自己独立的mm_struct，这样每一个进程都会有自己独立的地址空间，这样才能互不干扰。当进程之间的地址空间被共享的时候，我们可以理解为这个时候是多个进程使用一份地址空间，这就是线程。

struct mm_struct
{
     struct vm_area_struct *mmap;    //指向虚拟区间(VMA)链表
     struct rb_root mm_rb;           //指向red_black树
     struct vm_area_struct *mmap_cache;    //找到最近的虚拟区间

     unsigned long(*get_unmapped_area)(struct file *filp,unsigned long addr,unsigned long len,unsigned long pgoof,unsigned long flags);

     void (*unmap_area)(struct mm_struct *mm,unsigned long addr);

     unsigned long mmap_base;

     unsigned long task_size;   //拥有该结构体的进程的虚拟地址空间的大小
     unsigned long cached_hole_size;
     unsigned long free_area_cache;

     pgd_t *pgd;  //指向页全局目录

     atomic_t mm_users;         //用户空间中有多少用户
     atomic_t mm_count;         //对"struct mm_struct"有多少引用

     int map_count;            //虚拟区间的个数
     struct rw_semaphore mmap_sem;
     spinlock_t page_table_lock;       //保护任务页表和mm->rss

     struct list_head mmlist;          //所有活动mm的链表
     mm_counter_t _file_rss;
     mm_counter_t _anon_rss;
     unsigned long hiwter_rss;
     unsigned long hiwater_vm;


     unsigned long total_vm,locked_vm,shared_vm，exec_vm;
     usingned long stack_vm,reserved_vm,def_flags,nr_ptes;

     unsingned long start_code,end_code,start_data,end_data;  //代码段的开始start_code ，结束end_code，数据段的开始start_data，结束end_data

     unsigned long start_brk,brk,start_stack;    //start_brk和brk记录有关堆的信息，start_brk是用户虚拟地址空间初始化，brk是当前堆的结束地址，start_stack是栈的起始地址

     unsigned long arg_start,arg_end,env_start,env_end;     //参数段的开始arg_start，结束arg_end，环境段的开始env_start，结束env_end
     unsigned long saved_auxv[AT_VECTOR_SIZE]；

     struct linux_binfmt *binfmt;

     cpumask_t cpu_vm_mask;
     mm_counter_t context;
     unsigned int faultstamp;
     unsigned int token_priority;
     unsigned int last_interval;

     unsigned long flags;
     struct core_state *core_state;
}

• 分配的每个虚拟内存区域都由一个vm_area_struct 数据结构来管理，包括虚拟内存的起始和结束地址，以及内存的访问权限等，通常命名为vma；vm_area_struct 数据结构的定义如下：

struct vm_area_struct {
 /* The first cache line has the info for VMA tree walking. 
 第一个缓存行具有VMA树移动的信息*/
 
 unsigned long vm_start;  /* Our start address within vm_mm. */
 unsigned long vm_end;  /* The first byte after our end address within vm_mm. */
 
 /* linked list of VM areas per task, sorted by address
 每个任务的VM区域的链接列表，按地址排序*/
 struct vm_area_struct *vm_next, *vm_prev;
 
 struct rb_node vm_rb;
 
 /*
  此VMA左侧最大的可用内存间隙（以字节为单位）。 
  在此VMA和vma-> vm_prev之间，
  或者在VMA rbtree中我们下面的一个VMA与其->vm_prev之间。 
  这有助于get_unmapped_area找到合适大小的空闲区域。
  */
 unsigned long rb_subtree_gap;
 
 /* Second cache line starts here. 
 第二个缓存行从这里开始*/
 
 struct mm_struct *vm_mm; /* 我们所属的address space*/
 pgprot_t vm_page_prot;  /* 此VMA的访问权限 */
 unsigned long vm_flags;  /* Flags, see mm.h. */
 
 /*
  对于具有地址空间（address apace）和后备存储(backing store)的区域，
  链接到address_space->i_mmap间隔树，或者链接到address_space-> i_mmap_nonlinear列表中的vma。
  */
 union {
  struct {
   struct rb_node rb;
   unsigned long rb_subtree_last;
  } linear;
  struct list_head nonlinear;
 } shared;
 
 /*
  在其中一个文件页面的COW之后，文件的MAP_PRIVATE vma可以在i_mmap树和anon_vma列表中。
  MAP_SHARED vma只能位于i_mmap树中。 
  匿名MAP_PRIVATE，堆栈或brk vma（带有NULL文件）只能位于anon_vma列表中。
  */
 struct list_head anon_vma_chain; /* Serialized by mmap_sem & * page_table_lock
          由mmap_sem和* page_table_lock序列化*/
 struct anon_vma *anon_vma; /* Serialized by page_table_lock 由page_table_lock序列化*/
 
 /* 用于处理此结构体的函数指针 */
 const struct vm_operations_struct *vm_ops;
 
 /* 后备存储（backing store）的信息: */
 unsigned long vm_pgoff;  /* 以PAGE_SIZE为单位的偏移量（在vm_file中），*不是* PAGE_CACHE_SIZE*/
 struct file * vm_file;  /* 我们映射到文件（可以为NULL）*/
 void * vm_private_data;  /* 是vm_pte（共享内存） */
 
#ifndef CONFIG_MMU
 struct vm_region *vm_region; /* NOMMU映射区域 */
#endif
#ifdef CONFIG_NUMA
 struct mempolicy *vm_policy; /* 针对VMA的NUMA政策 */
#endif
};

小实验

• insmod test.ko pid_mem=3253 显示各个vma区域

• cat /proc/3253/maps 显示各个vma区域

看下两种方式的对比：