系列文章目录

Linux 内核设计与实现
深入理解 Linux 内核
Linux 设备驱动程序
Linux设备驱动开发详解
深入理解Linux虚拟内存管理（一）
深入理解Linux虚拟内存管理（二）
深入理解Linux虚拟内存管理（三）
深入理解Linux虚拟内存管理（四）
深入理解Linux虚拟内存管理（五）
深入理解Linux虚拟内存管理（六）
深入理解Linux虚拟内存管理（七）
深入理解Linux虚拟内存管理（八）

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一、进程内存描述符

1、 进程内存描述符

（1）初始化一个描述符

传送门 4.3.2 初始化一个描述符

    系统中的 mm_struct 开始称为 init_mm ，它在编译时由宏 INIT_MM() 静态初始化。

// include/linux/sched.h
#define INIT_MM(name) \
{			 				\
	mm_rb:		RB_ROOT,			\
	pgd:		swapper_pg_dir, 		\
	mm_users:	ATOMIC_INIT(2), 		\
	mm_count:	ATOMIC_INIT(1), 		\
	mmap_sem:	__RWSEM_INITIALIZER(name.mmap_sem), \
	page_table_lock: SPIN_LOCK_UNLOCKED, 		\
	mmlist:		LIST_HEAD_INIT(name.mmlist),	\
}

// arch/i386/kernel/init_task.c
struct mm_struct init_mm = INIT_MM(init_mm);

    新 mm_struct 在建立以后，是它们父 mm_struct 的备份，并且它们由 copy_mm() 以 init_mm() 初始化的字段来复制。

（2）复制一个描述符

（a）copy_mm

    这个函数为给定的进程复制一份 mm_struct 。它仅在创建一个新进程后且需要它自己的 mm_struct 时由 do_fork() 调用。

// kernel/fork.c
// 这一块重置没有被子 mm_struct 继承的字段并找到一个复制源 mm 的字段。
// 这些参数是为克隆而传入的标志位和那些复制 mm_struct 的进程。
static int copy_mm(unsigned long clone_flags, struct task_struct * tsk)
{
	struct mm_struct * mm, *oldmm;
	int retval;

	// 初始化与内存管理相关的task_struct字段。
	tsk->min_flt = tsk->maj_flt = 0;
	tsk->cmin_flt = tsk->cmaj_flt = 0;
	tsk->nswap = tsk->cnswap = 0;

	tsk->mm = NULL;
	tsk->active_mm = NULL;

	/*
	 * Are we cloning a kernel thread?
	 *
	 * We need to steal a active VM for that..
	 */
	// 借用当前运行进程的mm来复制。	 
	oldmm = current->mm;
	// 一个没有mm的内核线程，所以它可以立即返回。
	if (!oldmm)
		return 0;

	// 如果设置了 CLONE_VM 标志位，子进程将与父进程共享mm。像 pthreads 这
	// 样的用户需要这样做。mm_users 字段加1, 以使mm不会过早销毁。
	// good_mm 标记设置 tsk->mm 和 tsk->active_mm, 并返回成功
	if (clone_flags & CLONE_VM) {
		atomic_inc(&oldmm->mm_users);
		mm = oldmm;
		goto good_mm;
	}

	retval = -ENOMEM;
	// 分配新的mm。
	mm = allocate_mm();
	if (!mm)
		goto fail_nomem;

	/* Copy the current MM stuff.. */
	// 复制父mm, 并利用mm_init()来初始化特定进程的mm字段。
	memcpy(mm, oldmm, sizeof(*mm));
	if (!mm_init(mm))
		goto fail_nomem;
	// 为那些无法自动管理其MMU的体系结构初始化MMU上下文。
	if (init_new_context(tsk,mm))
		goto free_pt;
	// 调用dup_mmap(),它负责复制所有VMA父进程用到的区域。
	down_write(&oldmm->mmap_sem);
	retval = dup_mmap(mm);
	up_write(&oldmm->mmap_sem);

	// 一旦成功，dup_mmap() 返回 0。如果失败，标记 free_pt 将调用 mmput() 。它将
	// mm 的使用计数减 1
	if (retval)
		goto free_pt;

	/*
	 * child gets a private LDT (if there was an LDT in the parent)
	 */
	// 基于父进程为新进程复制LDT。 
	copy_segments(tsk, mm);

good_mm:
	// 设置新mm，active_mm 并返回成功。
	tsk->mm = mm;
	tsk->active_mm = mm;
	return 0;

free_pt:
	mmput(mm);
fail_nomem:
	return retval;
}

（b）mm_init

    这个函数初始化特定进程的 mm 字段。

// kernel/fork.c
#define free_mm(mm)	(kmem_cache_free(mm_cachep, (mm)))

static struct mm_struct * mm_init(struct mm_struct * mm)
{
	// 设置用户数为l。
	atomic_set(&mm->mm_users, 1);
	// 设置mm的引用计数为1。
	atomic_set(&mm->mm_count, 1);
	// 初始化保护VMA链表的信号量。
	init_rwsem(&mm->mmap_sem);
	// 初始化保护写访问的自旋锁。
	mm->page_table_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
	// 为该结构分配新的PGD。
	mm->pgd = pgd_alloc(mm);
	mm->def_flags = 0;
	if (mm->pgd)
		return mm;
	free_mm(mm);
	return NULL;
}

① ⇒ pgd_alloc

    pgd_alloc 函数

② ⇒ kmem_cache_free

    kmem_cache_free 函数

（3）分配一个描述符

    提供了两个函数来分配一个 mm_struct。虽然有点容易混淆，但它们实际上都是一样的。allocate_mm() 将从 slab 分配器中分配一个 mm_struct 。 mm_alloc() 将分配结构，然后调用 mm_init() 来初始化。

（a）allocate_mm

// kernel/fork.c
#define allocate_mm()	(kmem_cache_alloc(mm_cachep, SLAB_KERNEL))
// 从slab分配器分配一个mm_struct。

（b）mm_alloc

// kernel/fork.c
/*
 * Allocate and initialize an mm_struct.
 */
struct mm_struct * mm_alloc(void)
{
	struct mm_struct * mm;
	// 从slab分配器分配一个mm_struct。
	mm = allocate_mm();
	if (mm) {
	// 将结构的所有字段归0。
		memset(mm, 0, sizeof(*mm));
	// 进行基本的初始化。		
		return mm_init(mm);
	}
	return NULL;
}

（4）销毁一个描述符

    mm 的一个新用户利用如下调用将使用计数加1：
    atomic_inc( &mm->mm_users );
    利用 mmput() 将使用计数减 1。如果 mm_users 计数减到 0，将调用 exit_mmap() 将所有的已映射区域删除，而且所有的页表也将会销毁，因为已经没有任何使用用户空间部分的使用者。mm_count 计数由 mmdrop() 减 1，因为页表和 VMA 的使用者都记为一个 mm_struct 使用者。在 mm_count 减到 0 时，mm_struct 将会被销毁。

（a）mmput

// kernel/fork.c
/*
 * Decrement the use count and release all resources for an mm.
 */
void mmput(struct mm_struct *mm)
{
	if (atomic_dec_and_lock(&mm->mm_users, &mmlist_lock)) {
		extern struct mm_struct *swap_mm;
		if (swap_mm == mm)
			swap_mm = list_entry(mm->mmlist.next, struct mm_struct, mmlist);
		list_del(&mm->mmlist);
		mmlist_nr--;
		spin_unlock(&mmlist_lock);
		exit_mmap(mm);
		mmdrop(mm);
	}
}

（b）mmdrop

（c）__mmdrop

2、创建内存区域

（1）创建一个内存区域

（a）do_mmap

（b）do_mmap_pgoff

（2）插入一个内存区域

（a）__insert_vm_struct

（b）find_vma_prepare

（c）vma_link

（d）__vma_link

（e）__vma_link_list

（f）__vma_link_rb

（g）__vma_link_file

（3）合并相邻区域

（a）vma_merge

（b）can_vma_merge

（4）重映射并移动一个内存区域

（a）sys_mremap

（b）do_mremap

（c）move_vma

（d）make_pages_present

（e）get_user_pages

（f）move_page_tables

（g）move_one_page

（h）get_one_pte

（i）alloc_one_pte

（j）copy_one_pte

（5）删除内存区域

（a）do_munmap

（b）unmap_fixup

（6）删除所有的内存区域

（a）exit_mmap

（b）clear_page_tables

（c）free_one_pgd

（d）free_one_pmd

3、查找内存区域

（1）查找已映射内存区域

（a）find_vma

（b）find_vma_prev

（c）find_vma_intersection

（2）查找空闲内存区域

（a）get_unmapped_area

（b）arch_get_unmapped_area

4、对内存区域上锁和解锁

（1）对内存区域上锁

（a）sys_mlock

（b）sys_mlockall

（c）do_mlockall

（d）do_mlock

（2）对区域解锁

（a）sys_munlock

（b）sys_munlockall

（3）上锁/解锁后修整区域

（a）mlock_fixup

（b）ulock_fixup_all

（c）mlock_fixup_start

（d）mlock_fixup_end

（e）mlock_fixup_middle

5、缺页中断

（1）x86 缺页中断处理程序

（a）do_page_fault

（2）扩展栈

（a）expand_stack

（3）独立体系结构的页面中断处理程序

（a）hanle_mm_fault

（b）handle_pte_fault

（4）请求分配

（a）do_no_page

（b）do_anonymous_page

（5）请求分页

（a）do_swap_page

（b）can_share_swap_page

（c）exclusive_swap_page

（6）写时复制（COW） 页面

（a）do_wp_page

6、页面相关的磁盘 I/O

（1）一般文件读

（a）generic_file_read

（b）do_generic_file_read

（c）generic_file_readahead

（2）一般文件 mmap

（a）generic_file_mmap

（3）一般文件截断

（a）vmtruncate

（b）vmtruncate_list

（c）zap_page_range

（d）zap_pmd_range

（e）zap_pte_range

（f）truncate_inode_pages

（g）truncate_list_pages

（h）truncate_complete_page

（i）do_flushpage

（j）truncate_partial_page

（4）从页面高速缓存中读入页面

（a）filemap_nopage

（b）age_cache_read

（5）为 nopage() 进行预读文件

（a）nopage_sequential_readahead

（b）read_cluster_nonblocking

（6）交换相关的预读

（a）swapin_readahead

（b）valid_swaphandles

符号

   
⇐ ⇒ ⇔ ⇆ ⇒ ⟺
①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯⑰⑱⑲⑳㉑㉒㉓㉔㉕㉖㉗㉘㉙㉚㉛㉜㉝㉞㉟㊱㊲㊳㊴㊵㊶㊷㊸㊹㊺㊻㊼㊽㊾㊿
⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑿⒀⒁⒂⒃⒄⒅⒆⒇
➊➋➌➍➎➏➐➑➒➓⓫⓬⓭⓮⓯⓰⓱⓲⓳⓴
⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵
ⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ
ⒶⒷⒸⒹⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉⓊⓋⓌⓍⓎⓏ
🅐🅑🅒🅓🅔🅕🅖🅗🅘🅙🅚🅛🅜🅝🅞🅟🅠🅡🅢🅣🅤🅥🅦🅧🅨🅩

123

$$y=x^2+z_3$$

$$y=x^2+z_3+\frac{a}{b}+\sqrt[a]{b}$$

$$y=x^2+z^3\text{\hspace{1em}(1)}$$