0x00 前言：Concept

在学习内存管理这个体系结构之前，我们先要理解这几个概念以及缩写

概念：

文件页

内存回收，也就是系统释放掉可以回收的内存，比如缓存和缓冲区，就属于可回收内存。它们在内存管理中，通常被叫做文件页（File-backed Page）。大部分文件页，都可以直接回收，以后有需要时，再从磁盘重新读取就可以了。

脏页

些被应用程序修改过，并且暂时还没写入磁盘的数据（也就是脏页），就得先写入磁盘，然后才能进行内存释放。 这些脏页，一般可以通过两种方式写入磁盘。可以在应用程序中，通过系统调用 fsync ，把脏页同步到磁盘中；也可以交给系统，由内核线程 pdflush 负责这些脏页的刷新。

文件映射页

除了缓存和缓冲区，通过内存映射获取的文件映射页，也是一种常见的文件页。它也可以被释放掉，下次再访问的时候，从文件重新读取。（mmap）

匿名页

应用程序动态分配的堆内存，也就是在内存管理中说到的匿名页（Anonymous Page），它们很可能还要再次被访问啊，不能直接回收，这些内存自然不能直接释放。但是，如果这些内存在分配后很少被访问，似乎也是一种资源浪费。

Linux Swap

Linux的 Swap 机制把这些不常访问的内存先写到磁盘中，然后释放这些内存，给其他更需要的进程使用。再次访问这些内存时，重新从磁盘读入内存就可以了。

缩写

PGD：Page Global Dictory 页面全局目录（顶层页表）
PUD： Page Upper Dictory 上层页表（二级页表）
PMD： Page Middle Dictory 中级页表（三级页表）

0x01 Struct

address_space

定义：

是页高速缓存（page cache）的核心数据结构。在很多时候，内核在读写磁盘时都引用页高速缓存，新页被追加到页高速缓存以满足用户态进程的读请求。如果页不在高速缓存中，新页就被追加到高速缓存。这样作的目的就是为了更快的效率，比如有一些页，经常
被访问，那么此时，如果内存空间允许的话，可以考虑让它们长期驻留在页高速缓存中，这样要比从磁盘访问它们效率更高。而address_space结构体就是嵌入在页所有者的索引节点对象中的数据结构。而_页描述符与它的联系是通过其中的字段_mapping和index来完成的。前者指向拥有页的索引节点的address_space对象，index字段表示在所有者的地址空间中以页大小为单位的偏移量，即在所有者的磁盘映像中页中数据的位置。在页高速缓存中查找页时使用这两个字段。
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  1. struct address_space {
  3.        struct inode   *host;  /* owner: inode, block_device拥有它的节点 */
  4.        struct radix_tree_root    page_tree;/* radix tree of all pages包含全部页面的radix树 */
  5.        rwlock_t        tree_lock;  /* and rwlock protecting it保护page_tree的自旋锁  */
  6.        unsigned int   i_mmap_writable;/* count VM_SHARED mappings共享映射数 VM_SHARED记数*/
  7.        struct prio_tree_root      i_mmap;         /* tree of private and shared mappings 优先搜索树的树根*/
  8.        struct list_head       i_mmap_nonlinear;/*list VM_NONLINEAR mappings 非线性映射的链表头*/
  9.        spinlock_t              i_mmap_lock; /* protect tree, count, list 保护i_mmap的自旋锁*/
  10.        unsigned int           truncate_count;      /* Cover race condition with truncate 将文件截断的记数*/
  11.        unsigned long         nrpages;  /* number of total pages 页总数*/
  12.        pgoff_t                  writeback_index;/* writeback starts here 回写的起始偏移*/
  13.        struct address_space_operations *a_ops;     /* methods  操作函数表*/
  14.        unsigned long         flags;             /* error bits/gfp mask ，gfp_mask掩码与错误标识 */
  15.        struct backing_dev_info *backing_dev_info; /* device readahead, etc预读信息 */
  16.        spinlock_t              private_lock;   /* for use by the address_space  私有address_space锁*/
  17.        struct list_head       private_list;     /* ditto 私有address_space链表*/
  18.        struct address_space     *assoc_mapping;    /* ditto 相关的缓冲*/
  19. } __attribute__((aligned(sizeof(long))));

mm_struct

定义

一个进程的虚拟地址空间主要由两个数据结来描述。一个是最高层次的：mm_struct，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）。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的描述。

  4. struct mm_struct {
  6.     //指向线性区对象的链表头
  7.     struct vm_area_struct * mmap;       /* list of VMAs */
  8.     //指向线性区对象的红黑树
  9.     struct rb_root mm_rb;
  10.     //指向最近找到的虚拟区间
  11.     struct vm_area_struct * mmap_cache; /* last find_vma result */
  13.     //用来在进程地址空间中搜索有效的进程地址空间的函数
  14.     unsigned long (*get_unmapped_area) (struct file *filp,
  15.                 unsigned long addr, unsigned long len,
  16.                 unsigned long pgoff, unsigned long flags);
  18.        unsigned long (*get_unmapped_exec_area) (struct file *filp,
  19.                 unsigned long addr, unsigned long len,
  20.                 unsigned long pgoff, unsigned long flags);
  22.     //释放线性区时调用的方法，          
  23.     void (*unmap_area) (struct mm_struct *mm, unsigned long addr);
  25.     //标识第一个分配文件内存映射的线性地址
  26.     unsigned long mmap_base;        /* base of mmap area */
  29.     unsigned long task_size;        /* size of task vm space */
  30.     /*
  31.      * RHEL6 special for bug 790921: this same variable can mean
  32.      * two different things. If sysctl_unmap_area_factor is zero,
  33.      * this means the largest hole below free_area_cache. If the
  34.      * sysctl is set to a positive value, this variable is used
  35.      * to count how much memory has been munmapped from this process
  36.      * since the last time free_area_cache was reset back to mmap_base.
  37.      * This is ugly, but necessary to preserve kABI.
  38.      */
  39.     unsigned long cached_hole_size;
  41.     //内核进程搜索进程地址空间中线性地址的空间空间
  42.     unsigned long free_area_cache;      /* first hole of size cached_hole_size or larger */
  44.     //指向页表的目录
  45.     pgd_t * pgd;
  47.     //共享进程时的个数
  48.     atomic_t mm_users;          /* How many users with user space? */
  50.     //内存描述符的主使用计数器，采用引用计数的原理，当为0时代表无用户再次使用
  51.     atomic_t mm_count;          /* How many references to "struct mm_struct" (users count as 1) */
  53.     //线性区的个数
  54.     int map_count;              /* number of VMAs */
  56.     struct rw_semaphore mmap_sem;
  58.     //保护任务页表和引用计数的锁
  59.     spinlock_t page_table_lock;     /* Protects page tables and some counters */
  61.     //mm_struct结构，第一个成员就是初始化的mm_struct结构，
  62.     struct list_head mmlist;        /* List of maybe swapped mm's.  These are globally strung
  63.                          * together off init_mm.mmlist, and are protected
  64.                          * by mmlist_lock
  65.                          */
  67.     /* Special counters, in some configurations protected by the
  68.      * page_table_lock, in other configurations by being atomic.
  69.      */
  71.     mm_counter_t _file_rss;
  72.     mm_counter_t _anon_rss;
  73.     mm_counter_t _swap_usage;
  75.     //进程拥有的最大页表数目
  76.     unsigned long hiwater_rss;  /* High-watermark of RSS usage */、
  77.     //进程线性区的最大页表数目
  78.     unsigned long hiwater_vm;   /* High-water virtual memory usage */
  80.     //进程地址空间的大小，锁住无法换页的个数，共享文件内存映射的页数，可执行内存映射中的页数
  81.     unsigned long total_vm, locked_vm, shared_vm, exec_vm;
  82.     //用户态堆栈的页数，
  83.     unsigned long stack_vm, reserved_vm, def_flags, nr_ptes;
  84.     //维护代码段和数据段
  85.     unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data;
  86.     //维护堆和栈
  87.     unsigned long start_brk, brk, start_stack;
  88.     //维护命令行参数，命令行参数的起始地址和最后地址，以及环境变量的起始地址和最后地址
  89.     unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end;
  91.     unsigned long saved_auxv[AT_VECTOR_SIZE]; /* for /proc/PID/auxv */
  93.     struct linux_binfmt *binfmt;
  95.     cpumask_t cpu_vm_mask;
  97.     /* Architecture-specific MM context */
  98.     mm_context_t context;
  100.     /* Swap token stuff */
  101.     /*
  102.      * Last value of global fault stamp as seen by this process.
  103.      * In other words, this value gives an indication of how long
  104.      * it has been since this task got the token.
  105.      * Look at mm/thrash.c
  106.      */
  107.     unsigned int faultstamp;
  108.     unsigned int token_priority;
  109.     unsigned int last_interval;
  111.     //线性区的默认访问标志
  112.     unsigned long flags; /* Must use atomic bitops to access the bits */
  114.     struct core_state *core_state; /* coredumping support */
  115. #ifdef CONFIG_AIO
  116.     spinlock_t      ioctx_lock;
  117.     struct hlist_head   ioctx_list;
  118. #endif
  119. #ifdef CONFIG_MM_OWNER
  120.     /*
  121.      * "owner" points to a task that is regarded as the canonical
  122.      * user/owner of this mm. All of the following must be true in
  123.      * order for it to be changed:
  124.      *
  125.      * current == mm->owner
  126.      * current->mm != mm
  127.      * new_owner->mm == mm
  128.      * new_owner->alloc_lock is held
  129.      */
  130.     struct task_struct *owner;
  131. #endif
  133. #ifdef CONFIG_PROC_FS
  134.     /* store ref to file /proc/<pid>/exe symlink points to */
  135.     struct file *exe_file;
  136.     unsigned long num_exe_file_vmas;
  137. #endif
  138. #ifdef CONFIG_MMU_NOTIFIER
  139.     struct mmu_notifier_mm *mmu_notifier_mm;
  140. #endif
  141. #ifdef CONFIG_TRANSPARENT_HUGEPAGE
  142.     pgtable_t pmd_huge_pte; /* protected by page_table_lock */
  143. #endif
  144.     /* reserved for Red Hat */
  145. #ifdef __GENKSYMS__
  146.     unsigned long rh_reserved[2];
  147. #else
  148.     /* How many tasks sharing this mm are OOM_DISABLE */
  149.     union {
  150.         unsigned long rh_reserved_aux;
  151.         atomic_t oom_disable_count;
  152.     };
  154.     /* base of lib map area (ASCII armour) */
  155.     unsigned long shlib_base;
  156. #endif
  157. };