RMAP反向映射

本文深入探讨RMAP在Linux内核中的作用,阐述其如何优化从物理页面查找所有映射该页面的虚拟地址的过程,以及在进程创建、写时复制等场景下的应用。

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看了一下关于RMAP的东西,感觉看的云里雾里,现在简单总结下RMAP的作用:

产生背景:

我们知道一个page可以被多个进程的多个虚拟地址映射到,但是如果需要从page找到所有映射这个page的虚拟地址需要同时访问系统当前所有进程的进程空间的VMA,从中去寻找是否有虚拟地址映射到了此页面,对于系统来说,这是一个非常繁重的工作,所以这里需要一种可以从page快速找到所有映射了此页面的VMA,这种情况下RMAP就诞生了。

产生page映射的几种情况:

1.进程缺页中断分配的物理内存并建立映射。

2. 父进程创建子进程,copy父进程的VMAs到子进程,这时候会出现多个子进程的虚拟页面会映射到同一个物理页面。

3. 子进程产生写时复制操作,新建一个page并建立映射。

RMAP的作用就是在以上三种情况下,通过新的数据结构anon_vma以及anon_vma_chain建立子进程与父进程之间的内存映射的联系,从而在需要寻找某个物理页面的映射关系的时候只需要遍历通过以上两个数据结构建立起来的联系的框架里面的VMA就可以找到对应的映射到物理页面的VMA。

下面是截自奔跑吧里面的一幅RMAP映射的关系图:

### 反向映射的概念 反向映射(Reverse Mapping, RMap)是一种用于管理内存页面与虚拟地址空间之间关联的技术。它主要用于操作系统中,帮助跟踪哪些虚拟内存区域(VMA,Virtual Memory Area)对应于特定的物理页面。这种机制对于匿名页和文件页都非常重要,在处理内存回收、交换以及调试等方面起到关键作用。 在 Linux 内核中,反向映射的具体实现依赖于一系列的数据结构来维护这些关系[^3]。例如: - **`struct page`**: 表示一个物理页面,并包含指向其所属 `anon_vma` 或者文件对象的信息。 - **`struct vm_area_struct`**: 描述了一个进程的某个连续虚拟内存区间。 - **`struct anon_vma`**: 用来表示一组共享相同匿名内存的 VMA 区域。 当涉及到匿名页时,父进程中发生的 Page Fault 将会创建新的页面并将其链接至相应的 Anon-VMA 结构体之中。如果该进程进行了 fork 操作,则子进程也会继承这一套复杂的映射关系。 ### 反向映射的实现方式 #### 对于文件页 针对基于文件支持的页面而言,Linux 使用了一种称为 Radix Tree 的高效查找树来进行存储位置索引(`page->index`)记录,并通过函数如 `page_add_file_rmap()` 来建立实际使用的反向映射连接。 ```c void page_add_file_rmap(struct page *page, bool compound); ``` 此代码片段展示了如何增加一个新条目进入已存在的文件背书型页面之上的逆向图谱里头。 #### 关于匿名页 而就无支撑依据(即所谓“匿名”)类型的页面来说,情况稍微复杂一点因为它们并不直接隶属于任何磁盘档案实体而是单纯存在于RAM当中而已所以得另外设计一套办法予以妥善处置才行于是乎就有了所谓的Anon-RMAP体系架构出来专门应付这类特殊状况下的需求了比如说当父亲程序遭遇PageFault事件之后就会相应地配置好必要的资源接着再经由复制操作传送给后代子孙们继续沿用下去直到最后整个生命周期结束为止期间无论哪一方只要有任何变动都会即时同步反映给对方知道确保两者间始终保持一致的状态不致混乱失序等等情形发生[^3]. ### 面临的挑战 尽管有了如此精妙的设计方案可供采用但仍存在不少难题亟待解决比如随着系统规模不断扩大所需消耗的时间成本也随之水涨船高进而影响整体性能表现等问题都需要引起足够的重视加以克服改善才行[^4].
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