Linux進(jìn)程地址空間管理

Linux進(jìn)程地址空間管理第一頁，共24頁。進(jìn)程地址空間管理：管什么？管3GB的用戶虛擬地址空間：哪些區(qū)域被分配了，哪些區(qū)域是空閑的被分配區(qū)域的用途、權(quán)限等屬性信息頁表的相應(yīng)部分需要?jiǎng)?chuàng)建映射時(shí)再創(chuàng)建頁表，不需要時(shí)釋放頁表（而內(nèi)核空間對(duì)應(yīng)的頁表永不釋放）被映射給進(jìn)程的物理內(nèi)存需要時(shí)動(dòng)態(tài)申請(qǐng)，不需要時(shí)釋放不要求物理內(nèi)存必須連續(xù)回收暫時(shí)不用的頁框（Ch.17）2第二頁，共24頁。進(jìn)程地址空間管理2個(gè)原則“先申請(qǐng)，后使用”“不用了，及時(shí)釋放”盡量推遲物理內(nèi)存的分配時(shí)機(jī)3第三頁，共24頁。內(nèi)存描述符(mm_struct)每個(gè)進(jìn)程都有自己獨(dú)立的3GB的線性地址空間。該空間不同的區(qū)域有不同的用途：代碼區(qū)、全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)、棧區(qū)、堆區(qū)…與進(jìn)程地址空間有關(guān)的全部信息都包含在一個(gè)叫內(nèi)存描述符的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。4第四頁，共24頁。相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)task_struct用于描述一個(gè)進(jìn)程，task_struct中有一個(gè)字段：structmm_struct*mm;mm_struct用于描述一個(gè)進(jìn)程虛擬地址空間的布局。mm_struct中有一個(gè)字段mmap，指向了一個(gè)鏈表。

structvm_area_struct*mmapmmap鏈表中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)vm_area_struct記錄了實(shí)際分配的一個(gè)內(nèi)存區(qū)域。5第五頁，共24頁。進(jìn)程描述符(task_struct)structtask_struct{/*thesearehardcoded-don'ttouch*/volatilelongstate;/*-1unrunnable,0runnable,>0stopped*/longcounter;longpriority;….…………/*information*/structfs_struct*fs;/*open*/struct*files;/*memorymanagementinfo*/

structmm_struct*mm;….…………}第六頁，共24頁。內(nèi)存描述符第七頁，共24頁。內(nèi)存描述符(續(xù))第八頁，共24頁。內(nèi)存描述符(再續(xù))第九頁，共24頁。線性區(qū)(vm_area_struct)必須記錄進(jìn)程地址空間中哪些區(qū)域被使用了，而哪些區(qū)域空閑。如果進(jìn)程地址空間中的一個(gè)區(qū)域被分配給了進(jìn)程，則內(nèi)核會(huì)創(chuàng)建一個(gè)對(duì)應(yīng)的線性區(qū)，也叫虛擬內(nèi)存區(qū)（VMA）屬于同一個(gè)進(jìn)程地址空間的線性區(qū)形成一個(gè)鏈表。不同的VMA綁定不同的訪問權(quán)限和屬性：可讀、可寫、可執(zhí)行、私有、共享、鎖定等。不同的VMA中存放了不同類型的數(shù)據(jù)：代碼、全局變量、只讀數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)庫(kù)…為了加速查找空閑虛擬內(nèi)存區(qū)，Linux同時(shí)將同一進(jìn)程的所有線性區(qū)組織成一棵紅黑樹。線性區(qū)的開始和結(jié)束都必須4KB對(duì)齊10第十頁，共24頁。VirtualMemoryAreas第十一頁，共24頁。與進(jìn)程地址空間相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)mm_struct第十二頁，共24頁。觸發(fā)進(jìn)程空間的內(nèi)存動(dòng)態(tài)分配的操作進(jìn)程創(chuàng)建：fork，execv，clone擴(kuò)充/緊縮堆內(nèi)存：brk,sbrk創(chuàng)建文件內(nèi)存映射或匿名映射：mmap,mremap,munmap創(chuàng)建進(jìn)程間共享內(nèi)存：shmat,shmdt當(dāng)用戶堆棧不夠用的時(shí)候，需要擴(kuò)展堆棧上述操作都可能引起線性區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建和刪除。13第十三頁，共24頁。如何實(shí)現(xiàn)進(jìn)程地址空間動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配查找進(jìn)程虛擬地址空間是否存在大小合適的空閑區(qū)域。如果有，則創(chuàng)建相應(yīng)的線性區(qū)描述符vm_area_struct，并將其插入鏈表mmap線性區(qū)創(chuàng)建成功后，立即返回（注意，沒有分配相應(yīng)的物理頁框，也沒有修改頁表！）當(dāng)用戶程序訪問剛剛動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存時(shí)，會(huì)觸發(fā)缺頁異常。在缺頁異常的中斷服務(wù)程序中按“一次一頁”的方式分配物理頁框，并修改頁表。14第十四頁，共24頁。增加或刪除一個(gè)線性區(qū)第十五頁，共24頁。處理線性區(qū)的函數(shù)內(nèi)核進(jìn)程需要對(duì)一個(gè)線性區(qū)進(jìn)行處理，比如確定一個(gè)給定線性地址是否存在于一個(gè)線性地址空間中find_vma()，查找一個(gè)線性地址所屬的線性區(qū)兩個(gè)參數(shù)：進(jìn)程內(nèi)存描述符的地址mm和線性地址addrfind_vma_intersection()，查找一個(gè)與給定地址區(qū)間重疊的線性區(qū)get_unmapped_area()，查找一個(gè)空閑的地址區(qū)間insert_vm_struct()，向內(nèi)存描述符鏈表中插入一個(gè)線性區(qū)split_vma()，拆分線性區(qū)第十六頁，共24頁。創(chuàng)建一個(gè)線性區(qū)間mmap()和do_mmap()，創(chuàng)建一個(gè)線性區(qū)根據(jù)file參數(shù)映射指定的文件中偏移量為offset，長(zhǎng)度為len的一段內(nèi)容addr參數(shù)指明從何處開始查找一段可用的空閑線性地址區(qū)間Prot參數(shù)指定這個(gè)區(qū)間所包含的頁的存取權(quán)限flags參數(shù)指定這個(gè)創(chuàng)建的線性區(qū)本身的一些標(biāo)志staticinlineunsignedlongdo_mmap(structfile*file, unsignedlongaddr, unsignedlonglen, unsignedlongprot, unsignedlongflag, unsignedlongoffset)

include/linux/mm.h第十七頁，共24頁。刪除一個(gè)線性區(qū)間munmap()和do_munmap()do_munmap()函數(shù)從進(jìn)程地址空間中刪除一段線性空間mm參數(shù)指向了當(dāng)前進(jìn)程的內(nèi)存描述符addr參數(shù)為線性區(qū)的起始地址len參數(shù)指明要?jiǎng)h除的區(qū)間大小intdo_munmap (structmm_struct*mm,unsignedlongaddr, size_tlen) mm/mmap.c第十八頁，共24頁。mmap內(nèi)存映射利用mmap函數(shù)可以將一個(gè)磁盤文件或者其它設(shè)備對(duì)象映射到虛擬內(nèi)存空間。文件被映射到多個(gè)頁上，所有頁的大小之和大于等于文件大小。19第十九頁，共24頁。mmap內(nèi)存映射void*mmap(void*start,size_tlength,intprot,intflags,intfd,off_toffset)start：要映射到的虛擬內(nèi)存區(qū)域的起始地址，通常都是用NULL，NULL表示由內(nèi)核來指定該內(nèi)存地址length：要映射的內(nèi)存區(qū)域的大小prot：期望的內(nèi)存保護(hù)標(biāo)志，是以下的某個(gè)值，可以通過or運(yùn)算符組合到一起1.PROT_EXEC可執(zhí)行；2.PROT_READ可讀；3.PROT_WRITE可執(zhí)flags：指定映射對(duì)象的類型，映射選項(xiàng)和映射頁是否可以共享。MAP_SHARED

/MAP_PRIVATE/MAP_LOCKED/MAP_ANONYMOUSfd：文件描述符（由open函數(shù)返回）offset：表示被映射對(duì)象（即文件）從那里開始對(duì)映，通常都是用0。該值應(yīng)該為大小應(yīng)為PAGE_SIZE的整數(shù)倍返回值：成功則返回被映射虛擬內(nèi)存區(qū)的指針，失敗返回-1。20第二十頁，共24頁。mmap內(nèi)存映射int

munmap(void

*start,

size_t

length)取消映射關(guān)系

int

msync(const

void

*start,

size_t

length,

int

flags)將內(nèi)存中的內(nèi)容同步到文件

思考：mmap函數(shù)執(zhí)行時(shí)會(huì)一次性將整個(gè)被映射文件讀入內(nèi)存嗎？即用mmap函數(shù)映射一個(gè)大文件時(shí)會(huì)很耗時(shí)嗎？21第二十一頁，共24頁。mmap的應(yīng)用快速讀寫大文件，簡(jiǎn)化程序邏輯?？焖僮x寫I/O設(shè)備（如V4L庫(kù)）創(chuàng)建進(jìn)程間共享內(nèi)存（可利用/dev/zero文件）在用戶態(tài)的應(yīng)用程序中直接讀寫物理內(nèi)存（即讀寫指定物理地址上的內(nèi)存單元）。/dev/mem是整個(gè)物理內(nèi)存的全映像文件open("/dev/mem",O_RDWR|O_SYNC)，然后mmap，接著就可以用