Linux 5.7内核内存管理-brk系统调用的工作原理和代码流程

brk系统调用概述

brk系统调用是用于控制进程数据段（也称为堆）大小的接口。在Linux中，堆是动态内存分配的一部分，进程可以通过brk系统调用来增加或减少堆的大小。brk系统调用接受一个参数，即新的堆结束地址。

工作原理

1. 增加堆大小：如果新的结束地址大于当前堆的结束地址，brk将尝试增加堆的大小。

2. 减少堆大小：如果新的结束地址小于当前堆的结束地址，brk将减少堆的大小，但不会释放实际的物理内存，只是标记内存区域为不可访问。

3. 内存分配：当堆大小增加时，内核可能需要分配新的内存页，并将它们映射到进程的地址空间。

4. 内存释放：当堆大小减少时，内核会更新内存管理数据结构，但不实际释放物理内存页。

5. 同步：brk操作需要与内存管理子系统同步，确保内存页正确映射或取消映射。

代码流程分析

在Linux内核中，brk系统调用的实现通常在mm/mmap.c文件中。以下是sys_brk函数的代码流程分析：

SYSCALL_DEFINE1(brk, unsigned long, brk)
{
    struct mm_struct *mm = current->mm;
    unsigned long old_brk, new_brk;
    struct vm_area_struct *vma;
    int error;

    // 1. 获取当前堆的结束地址
    old_brk = current->mm->start_brk;

    // 2. 计算新的堆结束地址
    new_brk = brk + PAGE_OFFSET;

    // 3. 检查新堆大小是否超出限制
    if (new_brk < old_brk)
        new_brk = old_brk;  // 如果新大小小于当前大小，则不改变

    // 4. 调整堆大小
    error = do_brk(mm, old_brk, new_brk - old_brk);

    // 5. 如果调整成功，更新进程的堆结束地址
    if (!error)
        current->mm->start_brk = new_brk;

    return error ? -errno : old_brk;
}

代码注释

• SYSCALL_DEFINE1：定义一个接受一个参数的系统调用。
• struct mm_struct *mm：指向当前进程的内存管理结构体。
• unsigned long old_brk：当前堆的结束地址。
• unsigned long new_brk：尝试设置的新堆结束地址。
• struct vm_area_struct *vma：虚拟内存区域结构体。
• int error：错误码。

函数首先获取当前堆的结束地址，然后计算新的堆结束地址。如果新地址小于当前地址，则不进行改变。接下来，调用do_brk函数来调整堆的大小。如果调整成功，更新进程的堆结束地址，并返回旧的堆结束地址。

do_brk函数

do_brk函数负责实际的内存调整工作，包括内存页的分配和映射。以下是do_brk函数的代码流程：

static int do_brk(struct mm_struct *mm, unsigned long start, unsigned long len)
{
    struct vm_area_struct *vma, *prev;
    unsigned long end = start + len;
    pgoff_t pgoff = start >> PAGE_SHIFT;
    int error;

    // 1. 检查堆大小限制
    if (end < start)
        return -ENOMEM;

    // 2. 调整现有虚拟内存区域
    vma = find_vma(mm, start);
    if (vma && end <= vma->vm_end)
        return -ENOMEM;

    // 3. 分配新的虚拟内存区域
    error = get_vm_area(mm, len, start, -1, VM_READ | VM_WRITE | VM_MAYSHARE);
    if (error)
        return error;

    // 4. 映射内存页
    error = mm->mmap_private(mm, start, end, pgoff, PROT_READ | PROT_WRITE);
    if (error)
        return error;

    // 5. 更新内存管理数据结构
    vma = find_vma(mm, start);
    prev = vma->vm_prev;
    vma->vm_start = start;
    vma->vm_end = end;
    vma->vm_pgoff = pgoff;
    vma->vm_flags = VM_READ | VM_WRITE | VM_MAYSHARE;
    vma->vm_page_prot = vm_get_page_prot(vma->vm_flags);

    // 6. 插入新的虚拟内存区域到内存管理数据结构中
    insert_vm_struct(mm, vma);
    mm->total_vm += len >> PAGE_SHIFT;

    return 0;
}

代码注释

• struct mm_struct *mm：指向当前进程的内存管理结构体。
• unsigned long start：新堆的起始地址。
• unsigned long len：新堆的大小。
• struct vm_area_struct *vma：指向新分配的虚拟内存区域。
• unsigned long end：新堆的结束地址。
• pgoff_t pgoff：页偏移量。
• int error：错误码。

do_brk函数首先检查新堆的大小是否有效，然后尝试调整现有的虚拟内存区域。如果需要，它会分配新的虚拟内存区域，并映射内存页。最后，更新内存管理数据结构，并插入新的虚拟内存区域。

总结

brk系统调用是Linux内核内存管理中的一个重要组成部分，它允许进程动态地调整堆的大小。通过sys_brk和do_brk函数的实现，我们可以看到内核是如何管理内存区域、分配内存页以及更新内存管理数据结构的。