Linux——内存管理代码分析

虚空间管理

页框和页的关系

页框

将内存空间分为一个个大小相等的分区(比如:每个分区4KB),每个分区就是一个页框，也叫页帧，即物理页面，是linux划分内存空间的结果。
每个页框都有一个页框号，即内存块号、物理块号。

页

将用户进程的地址空间也分为与页框大小相等的一个个区域,称为页或页面，即虚拟页面，是linux划分地址空间的结果。
每个页面都有一个页号

页、页表项、页表、页目录项、页目录的关系参考：
计算机体系结构——虚拟内存技术

CSDN：基本分页存储管理的基本概念

线性区

当用户态进程动态请求内存时，linux并不会直接分配物理页框，而是先分配一段新的虚拟地址空间的使用权。

CSDN：进程地址空间 - VMA线性区

PCB中内存信息数据结构

主要的数据结构

mm_struct

mm是进程控制块中的一个成员，表示了该进程的内存信息。
每个进程都有自己的页目录、页表项等信息

*pgd: 一级页表的起始地址
*mmap：指向进程的第一个VMA
mm_rb：指向红黑树的根

vm_area_struct

线性区，表示用户虚空间中的一块连续区域，可以简称为vma。
数据结构成员包括权限信息等。
vm_rb->rb_left指针指向相邻的低地址VMA，vm_rb->rb_right指向相邻的高地址VMA¹

page

页框描述符，描述了页框的类型（匿名页还是文件页）

mem_map：描述了所有页框，连续存放。

file

页高速缓存，以文件为管理单位：缓存的页框属于某个文件
硬盘数据页的高速缓存，放在页框中；

address_space

address_space：记录映射到本文件（某一区间）的所有线性区，这些线性区按其区间组织为一颗优先搜索树。

page_tree：文件的所有缓存页框的描述符构成一颗基树，该结构体表示基树的根节点，如果最低位为1，表示指向的是一个radix_tree_node对象

anon_vma

anon_vma数据结构，链接了page和anon_vma，实质上和anon_vma_chain共同链接了的page数据结构和VMA的vm_area_struct数据结构

anon_vma_chain

anon_vma_chain链接了anon_vma和vma

rb_node 和 rb_root

radix_tree_node

path：该节点的页节点数
count：表示有效页框描述符地址的数量

数据结构关系

数据结构关系图：

链表关系

所有的page构成一颗基树

页框描述符红黑树
通过page->index可以快速找到其他page地址

vma红黑树
所以进程的VMAs组成一个双向链表

反向映射

正向映射：页号 → 页框号，即通过虚拟页号查找物理页号
反向映射：页框号 → 进程号和页号的集合，即在已知物理页面(page frame)的情况下，找到映射该物理页面的虚拟页。

反向映射使用场景

反向映射通常在页框回收时需要此功能，例如

1. 当内存空间不足时，有些页面长时间不适用，需要交换到磁盘
2. 有些页面需要迁移

工作原理

当上述使用场景需要反向映射时，linux为了快速定位映射到该物理页的页表项，通过页框号查找页框描述符，通过页框描述符中的mapping确定是匿名页还是文件页，并根据mapping的值

t

父进程为自己的进程空间VMA分配物理页面的时，会产生匿名页面

匿名页和文件页

二者均是页框的类型。

匿名页

不属于文件的页高速缓存，没有关联到文件页，不是以文件形式存在，无法和磁盘文件交换
匿名页面是线性区的一种类型，映射到anon_vma对象（该对象关联了进程为对应线性区申请的一组匿名页框，并记录了使用这些页框的所有线性区）
mapping的最低位为1.

匿名页反向映射结构图²：

文件页

映射文件的页，即某个文件的也高速缓存。程序可以通过read/write/mmap去操作，此时在内存中会申请page cache来缓存硬盘内容，因此该内容及存在于内存，也存在于外存中
属于某个address_space对象（该对象记录使用该文件页高速缓存的所有线性区）
mapping!=0，但mapping的最低位为0。

文件页反向映射结构图²

linux内存管理笔记(三十四）----匿名映射

参考文献

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1. 红黑树的应用：Linux内核虚拟内存的管理 ↩︎

2. CSDN：linux内存管理笔记(三十八）----反向映射 ↩︎ ↩︎