作者簡介：

余華兵，2005年畢業(yè)于華中科技大學(xué)計算機(jī)學(xué)院，取得碩士學(xué)位。畢業(yè)后的十余年一直在網(wǎng)絡(luò)通信行業(yè)從事軟件設(shè)計和開發(fā)工作，研究方向包括IPv4協(xié)議棧、IPv6協(xié)議棧和Linux內(nèi)核。

3.4 內(nèi)存映射

內(nèi)存映射是在進(jìn)程的虛擬地址空間中創(chuàng)建一個映射，分為以下兩種。

（1）文件映射：文件支持的內(nèi)存映射，把文件的一個區(qū)間映射到進(jìn)程的虛擬地址空間，數(shù)據(jù)源是存儲設(shè)備上的文件。

（2）匿名映射：沒有文件支持的內(nèi)存映射，把物理內(nèi)存映射到進(jìn)程的虛擬地址空間，沒有數(shù)據(jù)源。

通常把文件映射的物理頁稱為文件頁，把匿名映射的物理頁稱為匿名頁。

根據(jù)修改是否對其他進(jìn)程可見和是否傳遞到底層文件，內(nèi)存映射分為共享映射和私有映射。

（1）共享映射：修改數(shù)據(jù)時映射相同區(qū)域的其他進(jìn)程可以看見，如果是文件支持的映射，修改會傳遞到底層文件。

（2）私有映射：第一次修改數(shù)據(jù)時會從數(shù)據(jù)源復(fù)制一個副本，然后修改副本，其他進(jìn)程看不見，不影響數(shù)據(jù)源。

兩個進(jìn)程可以使用共享的文件映射實現(xiàn)共享內(nèi)存。匿名映射通常是私有映射，共享的匿名映射只可能出現(xiàn)在父進(jìn)程和子進(jìn)程之間。

在進(jìn)程的虛擬地址空間中，代碼段和數(shù)據(jù)段是私有的文件映射，未初始化數(shù)據(jù)段、堆和棧是私有的匿名映射。

內(nèi)存映射的原理如下

（1）創(chuàng)建內(nèi)存映射的時候，在進(jìn)程的用戶虛擬地址空間中分配一個虛擬內(nèi)存區(qū)域。

（2）Linux 內(nèi)核采用延遲分配物理內(nèi)存的策略，在進(jìn)程第一次訪問虛擬頁的時候，產(chǎn)生缺頁異常。如果是文件映射，那么分配物理頁，把文件指定區(qū)間的數(shù)據(jù)讀到物理頁中，然后在頁表中把虛擬頁映射到物理頁；如果是匿名映射，那么分配物理頁，然后在頁表中把虛擬頁映射到物理頁。

3.4.1 應(yīng)用編程接口

內(nèi)存管理子系統(tǒng)提供了以下常用的系統(tǒng)調(diào)用。

（1）mmap()用來創(chuàng)建內(nèi)存映射。

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,  int fd, off_t offset);

（2）mremap()用來擴(kuò)大或縮小已經(jīng)存在的內(nèi)存映射，可能同時移動。

void *mremap(void *old_address, size_t old_size,  size_t new_size, int flags, ... /* void *new_address */);

（3）munmap()用來刪除內(nèi)存映射。

int munmap(void *addr, size_t length);

（4）brk()用來設(shè)置堆的上界。

int brk(void *addr);

（5）remap_file_pages()用來創(chuàng)建非線性的文件映射，即文件區(qū)間和虛擬地址空間之間的映射不是線性關(guān)系，現(xiàn)在被廢棄了。

（6）mprotect()用來設(shè)置虛擬內(nèi)存區(qū)域的訪問權(quán)限。

int mprotect(void *addr, size_t len, int prot);

（7）madvise()用來向內(nèi)核提出內(nèi)存使用的建議，應(yīng)用程序告訴內(nèi)核期望怎樣使用指定的虛擬內(nèi)存區(qū)域，以便內(nèi)核可以選擇合適的預(yù)讀和緩存技術(shù)。

int madvise(void *addr, size_t length, int advice);

在內(nèi)核空間中可以使用以下兩個函數(shù)。

（1）remap_pfn_range 把內(nèi)存的物理頁映射到進(jìn)程的虛擬地址空間，這個函數(shù)的用處是實現(xiàn)進(jìn)程和內(nèi)核共享內(nèi)存。

int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long addr,unsigned long pfn,unsigned long size, pgprot_t prot);

（2）io_remap_pfn_range 把外設(shè)寄存器的物理地址映射到進(jìn)程的虛擬地址空間，進(jìn)程可以直接訪問外設(shè)寄存器。

int io_remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long addr,unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t prot);

應(yīng)用程序通常使用 C 標(biāo)準(zhǔn)庫提供的函數(shù) malloc()申請內(nèi)存。glibc 庫的內(nèi)存分配器 ptmalloc使用 brk 或 mmap 向內(nèi)核以頁為單位申請?zhí)摂M內(nèi)存，然后把頁劃分成小內(nèi)存塊分配給應(yīng)用程序。默認(rèn)的閾值是 128KB，如果應(yīng)用程序申請的內(nèi)存長度小于閾值，ptmalloc 分配器使用 brk 向內(nèi)核申請?zhí)摂M內(nèi)存，否則 ptmalloc 分配器使用 mmap 向內(nèi)核申請?zhí)摂M內(nèi)存。

應(yīng)用程序可以直接使用 mmap 向內(nèi)核申請?zhí)摂M內(nèi)存。

1．系統(tǒng)調(diào)用 mmap()

系統(tǒng)調(diào)用 mmap()有以下用處。

（1）進(jìn)程創(chuàng)建匿名的內(nèi)存映射，把內(nèi)存的物理頁映射到進(jìn)程的虛擬地址空間。

（2）進(jìn)程把文件映射到進(jìn)程的虛擬地址空間，可以像訪問內(nèi)存一樣訪問文件，不需要調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用read()和write()訪問文件，從而避免用戶模式和內(nèi)核模式之間的切換，提高讀寫文件的速度。

（3）兩個進(jìn)程針對同一個文件創(chuàng)建共享的內(nèi)存映射，實現(xiàn)共享內(nèi)存。

函數(shù)原型：

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

參數(shù)如下。

（1）addr：起始虛擬地址。如果 addr 是 0，內(nèi)核選擇虛擬地址。如果 addr 不是 0，內(nèi)核把這個參數(shù)作為提示，在附近選擇虛擬地址。

（2）length：映射的長度，單位是字節(jié)。

（3）prot：保護(hù)位。

（4）flags：標(biāo)志。常用的標(biāo)志如下。

（5）fd：文件描述符。僅當(dāng)創(chuàng)建文件映射的時候，這個參數(shù)才有意義。如果是匿名映射，有些實現(xiàn)要求參數(shù) fd 是?1，可移植的應(yīng)用程序應(yīng)該保證參數(shù) fd 是?1。

（6）offset：偏移，單位是字節(jié)，必須是頁長度的整數(shù)倍。僅當(dāng)創(chuàng)建文件映射的時候，這個參數(shù)才有意義。

返回值：

如果成功，返回起始虛擬地址，否則返回負(fù)的錯誤號。

2．系統(tǒng)調(diào)用 mprotect()

mprotect()用來設(shè)置虛擬內(nèi)存區(qū)域的訪問權(quán)限。

函數(shù)原型：

int mprotect(void *addr, size_t len, int prot);

參數(shù)如下。

（1）addr：起始虛擬地址，必須是頁長度的整數(shù)倍。

（2）len：虛擬內(nèi)存區(qū)域的長度，單位是字節(jié)。

（3）prot：保護(hù)位。

返回值：

如果成功，返回 0，否則返回負(fù)的錯誤號。

3．系統(tǒng)調(diào)用 madvise()

madvise()用來向內(nèi)核提出內(nèi)存使用的建議，應(yīng)用程序告訴內(nèi)核期望怎樣使用指定的虛擬內(nèi)存區(qū)域，以便內(nèi)核可以選擇合適的預(yù)讀和緩存技術(shù)。

函數(shù)原型：

int madvise(void *addr, size_t length, int advice);

參數(shù)如下。

（1）addr：起始虛擬地址，必須是頁長度的整數(shù)倍。

（2）length：虛擬內(nèi)存區(qū)域的長度，單位是字節(jié)。

（3）advice：建議。

POSIX 標(biāo)準(zhǔn)定義的建議值如下。

Linux 私有的建議值如下。

返回值：

如果成功，返回 0，否則返回負(fù)的錯誤號。

3.4.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

1．虛擬內(nèi)存區(qū)域

虛擬內(nèi)存區(qū)域是分配給進(jìn)程的一個虛擬地址范圍，內(nèi)核使用結(jié)構(gòu)體 vm_area_struct 描述虛擬內(nèi)存區(qū)域，主要成員如表 3.4 所示。

表 3.4 虛擬內(nèi)存區(qū)域的主要成員

文件映射的虛擬內(nèi)存區(qū)域如圖 3.9 所示。

圖3.9 文件映射的虛擬內(nèi)存區(qū)域?

（1）成員 vm_file 指向文件的一個打開實例（file）。索引節(jié)點代表一個文件，描述文件的屬性。

（2）成員 vm_pgoff 存放文件的以頁為單位的偏移。

（3）成員 vm_ops 指向虛擬內(nèi)存操作集合，創(chuàng)建文件映射的時候調(diào)用文件操作集合中的 mmap 方法（file->f_op->mmap）以注冊虛擬內(nèi)存操作集合。例如：假設(shè)文件屬于 EXT4文件系統(tǒng)，文件操作集合中的 mmap 方法是函數(shù) ext4_file_mmap，該函數(shù)把虛擬內(nèi)存區(qū)域的成員 vm_ops 設(shè)置為 ext4_file_vm_ops。

共享匿名映射的虛擬內(nèi)存區(qū)域如圖 3.10 所示，共享匿名映射的實現(xiàn)原理和文件映射相同，區(qū)別是共享匿名映射關(guān)聯(lián)的文件是內(nèi)核創(chuàng)建的內(nèi)部文件。在內(nèi)存文件系統(tǒng) tmpfs 中創(chuàng)建一個名為“/dev/zero”的文件，名字沒有意義，創(chuàng)建兩個共享匿名映射就會創(chuàng)建兩個名為“/dev/zero”的文件，兩個文件是獨立的，毫無關(guān)系。

圖3.10 共享匿名映射的虛擬內(nèi)存區(qū)域

（1）成員 vm_file 指向文件的一個打開實例（file）。

（2）成員 vm_pgoff 存放文件的以頁為單位的偏移。

（3）成員 vm_ops 指向共享內(nèi)存的虛擬內(nèi)存操作集合 shmem_vm_ops。

私有匿名映射的虛擬內(nèi)存區(qū)域如圖 3.11 所示。

圖3.10 私有匿名映射的虛擬內(nèi)存區(qū)域

成員 vm_file 沒有意義，是空指針。

成員 vm_pgoff 沒有意義。

成員 vm_ops 是空指針。

（1）頁保護(hù)位（vm_area_struct.vm_page_prot）：描述虛擬內(nèi)存區(qū)域的訪問權(quán)限。內(nèi)核定義了一個保護(hù)位映射數(shù)組，把 VM_READ、VM_WRITE、VM_EXEC 和VM_SHARED 這 4 個標(biāo)志轉(zhuǎn)換成保護(hù)位組合。

每種處理器架構(gòu)需要定義__P000 到__S111 的宏，P 代表私有（Private），S 代表共享（Shared），后面的 3 個數(shù)字分別表示可讀、可寫和可執(zhí)行，例如__P000 表示私有、不可讀、不可寫和不可執(zhí)行，__S111 表示共享、可讀、可寫和可執(zhí)行。

mm/mmap.c pgprot_t protection_map[16] = { __P000, __P001, __P010, __P011, __P100, __P101, __P110, __P111, __S000, __S001, __S010, __S011, __S100, __S101, __S110, __S111 };
 pgprot_t vm_get_page_prot(unsigned long vm_flags) {  return __pgprot(pgprot_val(protection_map[vm_flags &  (VM_READ|VM_WRITE|VM_EXEC|VM_SHARED)]) |  pgprot_val(arch_vm_get_page_prot(vm_flags))); }

函數(shù) arch_vm_get_page_prot 由每種處理器架構(gòu)自定義，默認(rèn)的實現(xiàn)如下：

include/linux/mman.h

include/linux/mman.h #ifndef arch_vm_get_page_prot #define arch_vm_get_page_prot(vm_flags) __pgprot(0) #endif

（2）虛擬內(nèi)存區(qū)域標(biāo)志：結(jié)構(gòu)體 vm_area_struct 的成員 vm_flags 存放虛擬內(nèi)存區(qū)域的標(biāo)志，頭文件“include/linux/mm.h”定義了各種標(biāo)志，常用的標(biāo)志如下。

1）VM_READ、VM_WRITE、VM_EXEC 和 VM_SHARED 分別表示可讀、可寫、可執(zhí)行和可以被多個進(jìn)程共享。

2）VM_MAYREAD 表示允許設(shè)置 VM_READ，VM_MAYWRITE 表示允許設(shè)置VM_WRITE，VM_MAYEXEC 表示允許設(shè)置 VM_EXEC，VM_MAYSHARE 表示允許設(shè)置VM_SHARED。這 4 個標(biāo)志用來限制系統(tǒng)調(diào)用 mprotect 可以設(shè)置的訪問權(quán)限。

3）VM_GROWSDOWN 表示虛擬內(nèi)存區(qū)域可以向下（低的虛擬地址）擴(kuò)展，VM_GROWSUP 表示虛擬內(nèi)存區(qū)域可以向上（高的虛擬地址）擴(kuò)展。VM_STACK 表示虛擬內(nèi)存區(qū)域是棧，絕大多數(shù)處理器的棧是向下擴(kuò)展，VM_STACK 等價于 VM_GROWSDOWN；少數(shù)處理器（例如 PA-RISC 處理器）的棧是向上擴(kuò)展，VM_STACK 等價于 VM_GROWSUP。

4）VM_PFNMAP 表示頁幀號（Page Frame Number，PFN）映射，特殊映射不希望關(guān)聯(lián)頁描述符，直接使用頁幀號，可能是因為頁描述符不存在，也可能是因為不想使用頁描述符。

5）VM_MIXEDMAP 表示映射混合使用頁幀號和頁描述符。

6）VM_LOCKED 表示頁被鎖定在內(nèi)存中，不允許換出到交換區(qū)。

7）VM_SEQ_READ 表示進(jìn)程從頭到尾按順序讀一個文件，VM_RAND_READ 表示進(jìn)程隨機(jī)讀一個文件。這兩個標(biāo)志用來提示文件系統(tǒng)，如果進(jìn)程按順序讀一個文件，文件系統(tǒng)可以預(yù)讀文件，提高性能。

8）VM_DONTCOPY 表示調(diào)用 fork 以創(chuàng)建子進(jìn)程時不把虛擬內(nèi)存區(qū)域復(fù)制給子進(jìn)程。

9）VM_DONTEXPAND 表示不允許使用 mremap()擴(kuò)大虛擬內(nèi)存區(qū)域。

10）VM_ACCOUNT 表示虛擬內(nèi)存區(qū)域需要記賬，判斷所有進(jìn)程申請的虛擬內(nèi)存的總和是否超過物理內(nèi)存容量。

11）VM_NORESERVE 表示不需要預(yù)留物理內(nèi)存。

12）VM_HUGETLB 表示虛擬內(nèi)存區(qū)域使用標(biāo)準(zhǔn)巨型頁。

13）VM_ARCH_1 和 VM_ARCH_2 由各種處理器架構(gòu)自定義。

14）VM_HUGEPAGE 表示虛擬內(nèi)存區(qū)域允許使用透明巨型頁，VM_NOHUGEPAGE表示虛擬內(nèi)存區(qū)域不允許使用透明巨型頁。

15）VM_MERGEABLE 表示 KSM（內(nèi)核相同頁合并，Kernel Samepage Merging）可以合并數(shù)據(jù)相同的頁。

（3）虛擬內(nèi)存操作集合（vm_operations_struct）：定義了虛擬內(nèi)存區(qū)域的各種操作方法，其代碼如下。

include/linux/mm.h struct vm_operations_struct {  void (*open)(struct vm_area_struct * area);  void (*close)(struct vm_area_struct * area);  int (*mremap)(struct vm_area_struct * area);  
int (*fault)(struct vm_fault *vmf);  int (*huge_fault)(struct vm_fault *vmf, enum page_entry_size pe_size);  void (*map_pages)(struct vm_fault *vmf,  pgoff_t start_pgoff, pgoff_t end_pgoff);
  /* 通知以前的只讀頁即將變成可寫，* 如果返回一個錯誤，將會發(fā)送信號SIGBUS給進(jìn)程*/  int (*page_mkwrite)(struct vm_fault *vmf);  /* 使用VM_PFNMAP或者VM_MIXEDMAP時調(diào)用，功能和page_mkwrite相同*/ 
 int (*pfn_mkwrite)(struct vm_fault *vmf);  … }

1）open 方法：在創(chuàng)建虛擬內(nèi)存區(qū)域時調(diào)用 open 方法，通常不使用，設(shè)置為空指針。

2）close 方法：在刪除虛擬內(nèi)存區(qū)域時調(diào)用 close 方法，通常不使用，設(shè)置為空指針。

3）mremap 方法：使用系統(tǒng)調(diào)用 mremap 移動虛擬內(nèi)存區(qū)域時調(diào)用 mremap 方法。

4）fault 方法：訪問文件映射的虛擬頁時，如果沒有映射到物理頁，生成缺頁異常，異常處理程序調(diào)用 fault 方法來把文件的數(shù)據(jù)讀到文件的頁緩存中。

5）huge_fault 方法：和 fault 方法類似，區(qū)別是 huge_fault 方法針對使用透明巨型頁的文件映射。

6）map_pages 方法：讀文件映射的虛擬頁時，如果沒有映射到物理頁，生成缺頁異常，異常處理程序除了讀入正在訪問的文件頁，還會預(yù)讀后續(xù)的文件頁，調(diào)用 map_pages 方法在文件的頁緩存中分配物理頁。

7）page_mkwrite 方法：第一次寫私有的文件映射時，生成頁錯誤異常，異常處理程序執(zhí)行寫時復(fù)制，調(diào)用 page_mkwrite 方法以通知文件系統(tǒng)頁即將變成可寫，以便文件系統(tǒng)檢查是否允許寫，或者等待頁進(jìn)入合適的狀態(tài)。

8）pfn_mkwrite 方法：和 page_mkwrite 方法類似，區(qū)別是 pfn_mkwrite 方法針對頁幀號映射和混合映射。

2．鏈表和樹

如圖 3.12 所示，進(jìn)程的虛擬內(nèi)存區(qū)域按兩種方法排序。

圖3.12 虛擬內(nèi)存區(qū)域的鏈表和樹

（1）雙向鏈表，mm_struct.mmap 指向第一個 vm_area_struct 實例。

（2）紅黑樹，mm_struct.mm_rb 指向紅黑樹的根。

虛擬內(nèi)存區(qū)域使用起始地址和結(jié)束地址描述，鏈表按起始地址遞增排序。紅黑樹是平衡的二叉查找樹，按起始地址排序，使用紅黑樹有以下好處。

1）在紅黑樹中查找一個虛擬內(nèi)存區(qū)域的速度快。

2）增加一個新的區(qū)域時，先在紅黑樹中找到剛好在新區(qū)域前面的區(qū)域，然后向鏈表和樹中插入新區(qū)域，可以避免掃描鏈表。

3.4.3 創(chuàng)建內(nèi)存映射

C 標(biāo)準(zhǔn)庫封裝了函數(shù) mmap 用來創(chuàng)建內(nèi)存映射，內(nèi)核提供了 POSIX 標(biāo)準(zhǔn)定義的系統(tǒng)調(diào)用 mmap：

asmlinkage long sys_mmap(unsigned long addr, unsigned long len,  unsigned long prot, unsigned long flags,  unsigned long fd, off_t off);

Linux 內(nèi)核從 2.3.31 版本開始提供私有的系統(tǒng)調(diào)用 mmap2：

asmlinkage long sys_mmap2(unsigned long addr, unsigned long len,  unsigned long prot, unsigned long flags,  unsigned long fd, off_t off);

兩個系統(tǒng)調(diào)用的區(qū)別是：mmap 指定的偏移的單位是字節(jié)，而 mmap2 指定的偏移的單位是頁。有的處理器架構(gòu)實現(xiàn)了這兩個系統(tǒng)調(diào)用，有的處理器架構(gòu)只實現(xiàn)了其中一個系統(tǒng)調(diào)用，例如 ARM64 架構(gòu)只實現(xiàn)了系統(tǒng)調(diào)用 mmap。

系統(tǒng)調(diào)用 sys_mmap 的執(zhí)行流程如圖 3.13 所示。

（1）檢查偏移是不是頁的整數(shù)倍，如果偏移不是頁的整數(shù)倍，返回“-EINVAL”。

（2）如果偏移是頁的整數(shù)倍，那么把偏移轉(zhuǎn)換成以頁為單位的偏移，然后調(diào)用函數(shù)sys_mmap_pgoff。

圖3.13 系統(tǒng)調(diào)用sys_mmap的執(zhí)行流程

函數(shù) sys_mmap_pgoff 的執(zhí)行流程如下。

（1）如果是創(chuàng)建文件映射，根據(jù)文件描述符在進(jìn)程的打開文件表中找到 file 實例。

（2）如果是創(chuàng)建匿名巨型頁映射，在 hugetlbfs 文件系統(tǒng)中創(chuàng)建文件“anon_hugepage”，并且創(chuàng)建該文件的一個打開實例 file。

注意：文件名沒有實際意義，創(chuàng)建匿名巨型頁映射兩次，就會在 hugetlbfs 文件系統(tǒng)中創(chuàng)建兩個名為“anon_hugepage”的文件，這兩個文件沒有關(guān)聯(lián)。

（3）調(diào)用函數(shù) vm_mmap_pgoff 進(jìn)行處理。

函數(shù) vm_mmap_pgoff 的執(zhí)行流程如下。

（1）以寫者身份申請讀寫信號量 mm->mmap_sem。

（2）把創(chuàng)建內(nèi)存映射的主要工作委托給函數(shù) do_mmap。

（3）釋放讀寫信號量 mm->mmap_sem。

（4）如果調(diào)用者要求把頁鎖定在內(nèi)存中，或者要求填充頁表并且允許阻塞，那么調(diào)用函數(shù) mm_populate，分配物理頁，并且在頁表中把虛擬頁映射到物理頁。

常見的情況是：創(chuàng)建內(nèi)存映射的時候不分配物理頁，等到進(jìn)程第一次訪問虛擬頁的時候，生成頁錯誤異常，頁錯誤異常處理程序分配物理頁，在頁表中把虛擬頁映射到物理頁。

函數(shù) do_mmap 實現(xiàn)創(chuàng)建內(nèi)存映射的主要工作，執(zhí)行流程如圖 3.14 所示。

（1）調(diào)用函數(shù) get_unmapped_area，從進(jìn)程的虛擬地址空間分配一個虛擬地址范圍。函數(shù) get_unmapped_area 根據(jù)情況調(diào)用特定函數(shù)以分配虛擬地址范圍。

1）如果是創(chuàng)建文件映射或匿名巨型頁映射，那么調(diào)用 file->f_op->get_unmapped_area以分配虛擬地址范圍。

2）如果是創(chuàng)建共享的匿名映射，那么調(diào)用 shmem_get_unmapped_area 以分配虛擬地址范圍。

3）如果是創(chuàng)建私有的匿名映射，那么調(diào)用 mm->get_unmapped_area 以分配虛擬地址范圍。ARM64 架構(gòu)的內(nèi)核在裝載程序時，如果選擇傳統(tǒng)布局，函數(shù) arch_pick_mmap_layout把 mm->get_unmapped_area 設(shè)置為函數(shù) arch_get_unmapped_area。

圖3.14 函數(shù)do_mmap的執(zhí)行流程

（2）計算虛擬內(nèi)存標(biāo)志。

vm_flags |= calc_vm_prot_bits(prot, pkey) | calc_vm_flag_bits(flags) |  mm->def_flags | VM_MAYREAD | VM_MAYWRITE | VM_MAYEXEC;

把系統(tǒng)調(diào)用中指定的保護(hù)位和標(biāo)志合并到一個標(biāo)志集合中，函數(shù) calc_vm_prot_bits把以“PROT_”開頭的保護(hù)位轉(zhuǎn)換成以“VM_”開頭的標(biāo)志，函數(shù) calc_vm_flag_bits 把以“MAP_”開頭的標(biāo)志轉(zhuǎn)換成以“VM_”開頭的標(biāo)志。

mm->def_flags 是默認(rèn)的虛擬內(nèi)存標(biāo)志：進(jìn)程默認(rèn)的虛擬內(nèi)存標(biāo)志是 VM_NOHUGEPAGE，即不使用透明巨型頁；內(nèi)核線程默認(rèn)的虛擬內(nèi)存標(biāo)志是 0。

VM_MAYREAD 表示允許設(shè)置標(biāo)志 VM_READ，VM_MAYWRITE 表示允許設(shè)置標(biāo)志VM_WRITE，VM_MAYEXEC 表示允許設(shè)置標(biāo)志 VM_EXEC。這 3 個標(biāo)志是系統(tǒng)調(diào)用 mprotect所需要的。

（3）調(diào)用函數(shù) mmap_region 以創(chuàng)建虛擬內(nèi)存區(qū)域。

函數(shù) mmap_region 負(fù)責(zé)創(chuàng)建虛擬內(nèi)存區(qū)域，執(zhí)行流程如下。

（1）調(diào)用函數(shù) may_expand_vm 以檢查進(jìn)程申請的虛擬內(nèi)存是否超過限制。

首先檢查（進(jìn)程的虛擬內(nèi)存總數(shù) + 申請的頁數(shù)）是否超過地址空間限制：mm->total_vm +npages > rlimit(RLIMIT_AS) >> PAGE_SHIFT。

如果是私有的可寫映射，并且不是棧，那么檢查（進(jìn)程數(shù)據(jù)的虛擬內(nèi)存總數(shù) + 申請的頁數(shù)）是否超過最大數(shù)據(jù)長度：mm->data_vm + npages > rlimit(RLIMIT_DATA) >> PAGE_SHIFT。

（2）如果是固定映射，調(diào)用者強(qiáng)制指定虛擬地址范圍，可能和舊的虛擬內(nèi)存區(qū)域重疊，那么需要從舊的虛擬內(nèi)存區(qū)域刪除重疊的部分。

（3）如果是私有的可寫映射，檢查所有進(jìn)程申請的虛擬內(nèi)存的總和是否超過物理內(nèi)存的容量。

 /** 如果是需要記賬的映射，那么檢查所有進(jìn)程申請的虛擬內(nèi)存的總和是否超過物理內(nèi)存的容量。* 需要記賬的映射具備以下3個條件。* 
（1）私有的可寫映射。*
 （2）不是標(biāo)準(zhǔn)巨型頁（因為標(biāo)準(zhǔn)巨型頁單獨記賬）。 * 
（3）需要預(yù)留物理內(nèi)存（即未設(shè)置VM_NORESERVE）。*/  
if (accountable_mapping(file, vm_flags)) {  charged = len >> PAGE_SHIFT;  /* 根據(jù)虛擬內(nèi)存過量提交的策略，判斷物理內(nèi)存是否足夠。*/
 if (security_vm_enough_memory_mm(mm, charged))  return -ENOMEM;  vm_flags |= VM_ACCOUNT;  }

（4）如果可以和已有的虛擬內(nèi)存區(qū)域合并，那么調(diào)用函數(shù) vma_merge，和已有的虛擬內(nèi)存區(qū)域合并。

（5）如果不能和已有的虛擬內(nèi)存區(qū)域合并，處理如下。

1）創(chuàng)建新的虛擬內(nèi)存區(qū)域。

2）如果是文件映射，那么調(diào)用文件的文件操作集合中的 mmap 方法（file->f_op->mmap），mmap 方法的主要功能是設(shè)置虛擬內(nèi)存區(qū)域的虛擬內(nèi)存操作集合（vm_area_struct.vm_ops），其中的 fault 方法很重要：第一次訪問虛擬頁的時候，觸發(fā)頁錯誤異常，異常處理程序?qū)⒄{(diào)用虛擬內(nèi)存操作集合中的 fault 方法以把文件的數(shù)據(jù)讀到內(nèi)存。

文件的文件操作集合是在打開文件的時候設(shè)置的，和文件所屬的文件系統(tǒng)相關(guān)。

很多文件系統(tǒng)把文件操作集合中的 mmap 方法設(shè)置為公共函數(shù) generic_file_mmap，函數(shù) generic_file_mmap 的主要功能是把虛擬內(nèi)存區(qū)域的虛擬內(nèi)存操作集合設(shè)置為 generic_file_vm_ops，其中 fault 方法是函數(shù) filemap_fault。

EXT4 文件系統(tǒng)把文件操作集合中的 mmap 方法設(shè)置為函數(shù) ext4_file_mmap，函數(shù) ext4_file_mmap 的主要功能是把虛擬內(nèi)存區(qū)域的虛擬內(nèi)存操作集合設(shè)置為 ext4_file_vm_ops，其中 fault 方法是函數(shù) ext4_filemap_fault。

3）如果是共享的匿名映射，那么在內(nèi)存文件系統(tǒng) tmpfs 中創(chuàng)建一個名為“/dev/zero”的文件，并且創(chuàng)建文件的一個打開實例 file，虛擬內(nèi)存區(qū)域的成員 vm_file 指向這個打開實例，把虛擬內(nèi)存操作集合設(shè)置為 shmem_vm_ops。如果沒有開啟共享內(nèi)存的配置宏 CONFIG_SHMEM，shmem_vm_ops 等價于 generic_file_vm_ops。

4）調(diào)用函數(shù) vma_link，把虛擬內(nèi)存區(qū)域添加到鏈表和紅黑樹中。如果虛擬內(nèi)存區(qū)域關(guān)聯(lián)文件，那么把虛擬內(nèi)存區(qū)域添加到文件的區(qū)間樹中，文件的區(qū)間樹用來跟蹤文件被映射到哪些虛擬內(nèi)存區(qū)域。

5）調(diào)用函數(shù) vma_set_page_prot，根據(jù)虛擬內(nèi)存標(biāo)志（vma->vm_flags）計算頁保護(hù)位（vma-> vm_page_prot），如果共享的可寫映射想要把頁標(biāo)記為只讀，目的是跟蹤寫事件，那么從頁保護(hù)位刪除可寫位。

3.4.4 虛擬內(nèi)存過量提交策略

虛擬內(nèi)存過量提交，是指所有進(jìn)程提交的虛擬內(nèi)存的總和超過物理內(nèi)存的容量，內(nèi)存管理子系統(tǒng)支持 3 種虛擬內(nèi)存過量提交策略。

（1）OVERCOMMIT_GUESS(0)：猜測，估算可用內(nèi)存的數(shù)量，因為沒法準(zhǔn)確計算可用內(nèi)存的數(shù)量，所以說是猜測。

（2）OVERCOMMIT_ALWAYS(1)：總是允許過量提交。

（3）OVERCOMMIT_NEVER(2)：不允許過量提交。

默認(rèn)策略是猜測，用戶可以通過文件“/proc/sys/vm/overcommit_memory”修改策略。

在創(chuàng)建新的內(nèi)存映射時，調(diào)用函數(shù)__vm_enough_memory 根據(jù)虛擬內(nèi)存過量提交策略判斷內(nèi)存是否足夠，主要代碼如下：

mm/util.c1 int __vm_enough_memory(struct mm_struct *mm, long pages, int cap_sys_admin) 2 { 3 long free, allowed, reserve; 4 … 5 
if (sysctl_overcommit_memory == OVERCOMMIT_ALWAYS) 6 return 0; 7 8 if (sysctl_overcommit_memory == OVERCOMMIT_GUESS) 
{ 9 free = global_page_state(NR_FREE_PAGES); 10 free += global_node_page_state(NR_FILE_PAGES); 
11 12 free -= global_node_page_state(NR_SHMEM); 13 14 free += get_nr_swap_pages(); 15 16 free += global_page_state(NR_SLAB_RECLAIMABLE); 
137 第 3 章 內(nèi)存管理
 if (free <= totalreserve_pages) 19 goto error; 20 else 21 free -= totalreserve_pages; 22 23 if (!cap_sys_admin) 24 free -= sysctl_admin_reserve_kbytes >> (PAGE_SHIFT - 10); 
25 26 if (free > pages) 27 return 0; 28 29 goto error; 30 } 31 32 allowed = vm_commit_limit(); 33 34 if (!cap_sys_admin) 35 allowed -= sysctl_admin_reserve_kbytes >> (PAGE_SHIFT - 10); 
36 37 if (mm) { 38 reserve = sysctl_user_reserve_kbytes >> (PAGE_SHIFT - 10); 39 allowed -= min_t(long, mm->total_vm / 32, reserve); 40 } 41 42 if (percpu_counter_read_positive(&vm_committed_as) < allowed) 43 return 0;
 44 error: 45 vm_unacct_memory(pages); 46 47 return -ENOMEM; 48 }

第 5 行代碼，如果使用總是允許過量提交的策略，那么允許創(chuàng)建新的內(nèi)存映射。

第 8 行代碼，如果使用猜測的過量提交策略，那么估算可用內(nèi)存的數(shù)量，處理如下。

1）第 9 行和第 10 行代碼，空閑頁加上文件頁，文件頁有后備存儲設(shè)備支持，可以回收。

2）第 12 行代碼，共享內(nèi)存頁不應(yīng)該算作空閑頁，它們不能被釋放，只能換出到交換區(qū)。

3）第 14 行代碼，加上交換區(qū)的空閑頁數(shù)。

4）第 16 行代碼，加上可回收的內(nèi)存緩存頁。使用 SLAB_RECLAIM_ACCOUNT 標(biāo)志創(chuàng)建的內(nèi)存緩存，宣稱可回收，dentry 和 inode 緩存應(yīng)該屬于這種情況。

5）第 21 行代碼，減去保留的頁數(shù)。

6）第 23 行和第 24 行代碼，如果進(jìn)程沒有系統(tǒng)管理權(quán)限，那么減去為根用戶保留的頁數(shù)。

7）第 26 行和第 27 行代碼，如果可用內(nèi)存的頁數(shù)大于申請的頁數(shù)，那么允許創(chuàng)建新的內(nèi)存映射。

如果使用不允許過量提交的策略，那么處理如下。

1）第 32 行代碼，計算提交內(nèi)存的上限。有兩個控制參數(shù)：sysctl_overcommit_kbytes是字節(jié)數(shù)，sysctl_overcommit_ratio 是比例值，sysctl_overcommit_kbytes 的默認(rèn)值是 0，sysctl_overcommit_ratio 的默認(rèn)值是 50。如果 sysctl_overcommit_kbytes 不是 0，那么上限等于“sysctl_overcommit_kbytes + 交換區(qū)的空閑頁數(shù)”，否則上限等于“（物理內(nèi)存容量 ? 巨型頁總數(shù)）* sysctl_overcommit_ratio/100 + 交換區(qū)的空閑頁數(shù)”。

2）第34 行和第35 行代碼，如果進(jìn)程沒有系統(tǒng)管理權(quán)限，那么需要為根用戶保留一部分內(nèi)存。

3）第 37～40 行代碼，為了防止一個用戶啟動一個消耗內(nèi)存大的進(jìn)程，保留一部分內(nèi)存：取“進(jìn)程虛擬內(nèi)存長度的 1/32”和“用戶保留的頁數(shù)”的較小值。

4）第 42 行和第 43 行代碼，vm_committed_as 是所有進(jìn)程提交的虛擬內(nèi)存的總和，如果它小于 allowed，那么允許創(chuàng)建新的內(nèi)存映射。

3.4.5 刪除內(nèi)存映射

系統(tǒng)調(diào)用 munmap 用來刪除內(nèi)存映射，它有兩個參數(shù)：起始地址和長度。

系統(tǒng)調(diào)用 munmap 的執(zhí)行流程如圖 3.15 所示，它把主要工作委托給源文件“mm/mmap.c”中的函數(shù) do_munmap。

圖3.15 系統(tǒng)調(diào)用munmap的執(zhí)行流程

（1）根據(jù)起始地址找到要刪除的第一個虛擬內(nèi)存區(qū)域 vma。

（2）如果只刪除虛擬內(nèi)存區(qū)域 vma 的一部分，那么分裂虛擬內(nèi)存區(qū)域 vma。

（3）根據(jù)結(jié)束地址找到要刪除的最后一個虛擬內(nèi)存區(qū)域 last。

（4）如果只刪除虛擬內(nèi)存區(qū)域 last 的一部分，那么分裂虛擬內(nèi)存區(qū)域 last。

（5）針對所有刪除目標(biāo)，如果虛擬內(nèi)存區(qū)域被鎖定在內(nèi)存中（不允許換出到交換區(qū)），那么調(diào)用函數(shù) munlock_vma_pages_all 以解除鎖定。

（6）調(diào)用函數(shù) detach_vmas_to_be_unmapped，把所有刪除目標(biāo)從進(jìn)程的虛擬內(nèi)存區(qū)域鏈表和樹中刪除，單獨組成一條臨時的鏈表。

（7）調(diào)用函數(shù) unmap_region，針對所有刪除目標(biāo)，在進(jìn)程的頁表中刪除映射，并且從處理器的頁表緩存中刪除映射。

（8）調(diào)用函數(shù) arch_unmap 執(zhí)行處理器架構(gòu)特定的處理。各種處理器架構(gòu)自定義函數(shù)arch_unmap，它默認(rèn)是一個空函數(shù)。

（9）調(diào)用函數(shù) remove_vma_list 刪除所有目標(biāo)。

編輯：黃飛

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