Linux源码解析-内存描述符（mm_struct）

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#linux kernel #mm_struct #内存描述符

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https://blog.youkuaiyun.com/tiankong_/article/details/75676131

1.简介

一个进程的虚拟地址空间主要由两个数据结构来描述。一个是最高层次的：mm_struct（定义在mm_types.h中），一个是较高层次的：vm_area_structs。最高层次的mm_struct结构描述了一个进程的整个虚拟地址空间。较高层次的结构vm_area_truct描述了虚拟地址空间的一个区间（简称虚拟区或线性区）。每个进程只有一个mm_struct结构，在每个进程的task_struct结构中，有一个指向该进程的结构。可以说，mm_struct结构是对整个用户空间（注意，是用户空间）的描述。

2.task_struct中关于内存描述的成员

struct task_struct
{
    // ...
   struct mm_struct *mm, *active_mm;   
    // ...
};

struct mm_struct *mm, *active_mm;
mm：进程所拥有的用户空间内存描述符，

active_mm：进程运行时所使用的内存描述符，

注意：

对于普通进程，这两个指针变量相同
对于内核线程，不拥有任何内存描述符，mm成员总是设为NULL
当内核线程运行时，它的active_mm成员被初始化为前一个运行进程的active_mm值
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。
3.进程的地址空间分布

如图，mm_struct后面一层是不是很熟悉？没错，栈区、内存映射区、堆区、BBS区、数据区、文本区（后续继续讨论）

上图中我们需要注意的是：对于物理内存当中的内核kernel，是只存在一份，所有的进程是用来共享的，内核当中会利用PCB（进程控制块）来管理不同的进程。

4.mm_struct数据结构详解

以下总结摘自：http://blog.youkuaiyun.com/qq_26768741/article/details/54375524

在地址空间中，mmap为地址空间的内存区域（用vm_area_struct结构来表示）链表，mm_rb用红黑树来存储，链表表示起来更加方便，红黑树表示起来更加方便查找。

区别是，当虚拟区较少的时候，这个时候采用单链表，由mmap指向这个链表，当虚拟区多时此时采用红黑树的结构，由mm_rb指向这棵红黑树。这样就可以在大量数据的时候效率更高。

所有的mm_struct结构体通过自身的mmlist域链接在一个双向链表上，该链表的首元素是init_mm内存描述符，代表init进程的地址空间。

atomic_t mm_users; 

atomic_t mm_count;

每一个进程都可以被别的进程来共享，也就是和别的进程来共享mm_struct
kernel线程是没有地址空间的，也就没有对应的mm_struct，kernel线程使用之前运行的进程的内存描述符。
程序中通常用到的地址常常具有局部性，当前最近一次用的虚拟地址区间很可能下一次还是需要用到，所以我们采用局部性原理，通常时候我们去吧当前地址周围一个区间的内存放入高速缓存当中，这个区间在mm_struct当中就是由mmap_cache来维护。

struct mm_struct {
    struct vm_area_struct * mmap;        /* list of VMAs，指向线性区对象的链表头部 */
    struct rb_root mm_rb;                   /* 指向线性区对象的红黑树*/
    struct vm_area_struct * mmap_cache;    /* last find_vma result 指向最近找到的虚拟区间 */
#ifdef CONFIG_MMU 
/*用来在进程地址空间中搜索有效的进程地址空间的函数*/
 
    unsigned long (*get_unmapped_area) (struct file *filp,
                unsigned long addr, unsigned long len,
                unsigned long pgoff, unsigned long flags);
/*释放线性区的调用方法*/
 void (*unmap_area) (struct mm_struct *mm, unsigned long addr);
#endif
    unsigned long mmap_base;        /* base of mmap area ，内存映射区的基地址*/
    unsigned long task_size;        /* size of task vm space */
    unsigned long cached_hole_size;     /* if non-zero, the largest hole below free_area_cache */
    unsigned long free_area_cache;        /* first hole of size cached_hole_size or larger */
    pgd_t * pgd;                            /* 页表目录指针*/
    atomic_t mm_users;            /* How many users with user space?，共享进程的个数 */
    atomic_t mm_count;            /* How many references to "struct mm_struct" (users count as 1)，主使用计数器，采用引用计数，描述有多少指针指向当前的mm_struct */
    int map_count;                /* number of VMAs ,线性区个数*/
    struct rw_semaphore mmap_sem;
    spinlock_t page_table_lock;        /* Protects page tables and some counters，保护页表和引用计数的锁 （使用的自旋锁）*/
 
    struct list_head mmlist;        /* List of maybe swapped mm's.    These are globally strung
                         * together off init_mm.mmlist, and are protected
                         * by mmlist_lock
                         */
 
 
    unsigned long hiwater_rss;    /* High-watermark of RSS usage,进程拥有的最大页表数目 */
    unsigned long hiwater_vm;    /* High-water virtual memory usage ,进程线性区的最大页表数目*/
 
    unsigned long total_vm, locked_vm, shared_vm, exec_vm;
    unsigned long stack_vm, reserved_vm, def_flags, nr_ptes;
    unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data;     /*维护代码区和数据区的字段*/
    unsigned long start_brk, brk, start_stack;       /*维护堆区和栈区的字段*/
    unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end;  /*命令行参数的起始地址和尾地址，环境变量的起始地址和尾地址*/
 
    unsigned long saved_auxv[AT_VECTOR_SIZE]; /* for /proc/PID/auxv */
 
    /*
     * Special counters, in some configurations protected by the
     * page_table_lock, in other configurations by being atomic.
     */
    struct mm_rss_stat rss_stat;
 
    struct linux_binfmt *binfmt;
 
    cpumask_t cpu_vm_mask;
 
    /* Architecture-specific MM context */
    mm_context_t context;
 
    /* Swap token stuff */
    /*
     * Last value of global fault stamp as seen by this process.
     * In other words, this value gives an indication of how long
     * it has been since this task got the token.
     * Look at mm/thrash.c
     */
    unsigned int faultstamp;
    unsigned int token_priority;
    unsigned int last_interval;
 
    unsigned long flags; /* Must use atomic bitops to access the bits */
 
    struct core_state *core_state; /* coredumping support */
#ifdef CONFIG_AIO
    spinlock_t        ioctx_lock;
    struct hlist_head    ioctx_list;
#endif
#ifdef CONFIG_MM_OWNER
    /*
     * "owner" points to a task that is regarded as the canonical
     * user/owner of this mm. All of the following must be true in
     * order for it to be changed:
     *
     * current == mm->owner
     * current->mm != mm
     * new_owner->mm == mm
     * new_owner->alloc_lock is held
     */
    struct task_struct *owner;
#endif
 
#ifdef CONFIG_PROC_FS
    /* store ref to file /proc/<pid>/exe symlink points to */
    struct file *exe_file;
    unsigned long num_exe_file_vmas;
#endif
#ifdef CONFIG_MMU_NOTIFIER
    struct mmu_notifier_mm *mmu_notifier_mm;
#endif
};

5.页表概述

以下摘自：http://blog.youkuaiyun.com/qq_26768741/article/details/54375524

linux kernel 使用内存管理的时候，采取的是页式的管理方式，应用程序给出的内存地址是虚拟地址，是经过若干层的页表的转换才能得到真正的物理地址，所以相对来说，进程的

地址空间是一份虚拟的地址空间，每一个地址通过页表的转换映射到所谓的物理地址空间上。在这里所共享的1G的kernel在内存地址是只存一份的，但是对于每一个进程其他的3G的空间，

是存储其他不同的东西，另外，页表具有权限限定，这样也就提供给了每块内存区域，比如我定义了：

char * p="12342";

这里的“12342”是一个常量字符串，它被存放在只读常量存储区，所以这个区域的页表的属性就是只读，这样就可以高效的维护整个进程的地址空间。

每一个进程都会有一个进程描述符，task_struct，task_strust当中的mm指针指向每个进程的内存描述符，而对于每个mm，有都会有单独的页表，

pgt区间是用来维护页表的目录，每一个进程的都有自己的页表目录，需要注意进程的页目录和内核的页目录是不一样的，当程序调度器调度程序运行的时候，这个时候这个地址就会转换成为

物理地址，linux一般采用三级页表进行转换。

6.vm_area_struct结构

/*
 * This struct defines a memory VMM memory area. There is one of these
 * per VM-area/task.  A VM area is any part of the process virtual memory
 * space that has a special rule for the page-fault handlers (ie a shared
 * library, the executable area etc).
 */
struct vm_area_struct {
    struct mm_struct * vm_mm;    /* The address space we belong to. */
    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 */
    struct vm_area_struct *vm_next;
 
    pgprot_t vm_page_prot;        /* Access permissions of this VMA. */
    unsigned long vm_flags;        /* Flags, see mm.h. */
 
    struct rb_node vm_rb;
 
    /*
     * For areas with an address space and backing store,
     * linkage into the address_space->i_mmap prio tree, or
     * linkage to the list of like vmas hanging off its node, or
     * linkage of vma in the address_space->i_mmap_nonlinear list.
     */
    union {
        struct {
            struct list_head list;
            void *parent;    /* aligns with prio_tree_node parent */
            struct vm_area_struct *head;
        } vm_set;
 
        struct raw_prio_tree_node prio_tree_node;
    } shared;
 
    /*
     * A file's MAP_PRIVATE vma can be in both i_mmap tree and anon_vma
     * list, after a COW of one of the file pages.    A MAP_SHARED vma
     * can only be in the i_mmap tree.  An anonymous MAP_PRIVATE, stack
     * or brk vma (with NULL file) can only be in an anon_vma list.
     */
    struct list_head anon_vma_chain; /* Serialized by mmap_sem &
                      * page_table_lock */
    struct anon_vma *anon_vma;    /* Serialized by page_table_lock */
 
    /* Function pointers to deal with this struct. */
    const struct vm_operations_struct *vm_ops;
 
    /* Information about our backing store: */
    unsigned long vm_pgoff;        /* Offset (within vm_file) in PAGE_SIZE
                       units, *not* PAGE_CACHE_SIZE */
    struct file * vm_file;        /* File we map to (can be NULL). */
    void * vm_private_data;        /* was vm_pte (shared mem) */
    unsigned long vm_truncate_count;/* truncate_count or restart_addr */
 
#ifndef CONFIG_MMU
    struct vm_region *vm_region;    /* NOMMU mapping region */
#endif
#ifdef CONFIG_NUMA
    struct mempolicy *vm_policy;    /* NUMA policy for the VMA */
#endif
};