第六章扩展—

第六章扩展——VMA

由 user process角度来说明的话，VMA 是 user process 里一段 virtual address space 区域；virtual address space 是连续的内存空间，当然VMA 也会是连续的空间。VMA 对 Linux 的主要好处是，可以内存的使用更有效率，並且更容易管理 user process address space。

从另一个观念来看，VMA 可以让 Linux kernel 以 process 的角度来管理 virtual address space。Process 的 VMA对应，可以由 /proc/<pid>/maps 来查看；例如 pid 1（init）的 VMA mapping为：

$ cat /proc/1/maps

08048000-0804e000 r-xp 00000000 08:01 12118 /sbin/init

0804e000-08050000 rw-p 00005000 08:01 12118 /sbin/init

08050000-08054000 rwxp 00000000 00:00 0

40000000-40016000 r-xp 00000000 08:01 52297 /lib/ld-2.2.4.so

40016000-40017000 rw-p 00015000 08:01 52297 /lib/ld-2.2.4.so

40024000-40025000 rw-p 00000000 00:00 0

40025000-40157000 r-xp 00000000 08:01 58241 /lib/i686/libc-2.2.4.so

40157000-4015c000 rw-p 00131000 08:01 58241 /lib/i686/libc-2.2.4.so

4015c000-40160000 rw-p 00000000 00:00 0

bfffe000-c0000000 rwxp fffff000 00:00 0

列表中的各列格式如下：

start-end perm offset major:minor inode image

Linux 以 struct vm_area_struct 数据结构来记录每一「区域」的 VMA 信息（include/linux/mm.h）：

struct vm_area_struct {

struct mm_struct * vm_mm;

unsigned long vm_start;

unsigned long vm_end;

struct vm_area_struct *vm_next;

pgprot_t vm_page_prot;

unsigned long vm_flags;

rb_node_t vm_rb;

struct vm_area_struct *vm_next_share;

struct vm_area_struct **vm_pprev_share;

struct vm_operations_struct * vm_ops;

unsigned long vm_pgoff;

struct file * vm_file;

unsigned long vm_raend;

void * vm_private_data;

};

struct vm_area_struct 里有 3 域，用來來保存 VMA 数据信息：

˙ unsigned long vm_start：记录此 VMA 区域的开始位址（start address）。

˙ unsigned long vm_end：记录此 VMA区域的结束位址（end address）。

˙ struct vm_area_struct *vm_next：指向下一個 VMA 区域结构的指针（Linux 以 linked list 数据结构维护每一個 VMA 区域）。

VMA 的实际作用主要是为了能更有效率地管理内存，并且是给予 paging 系統之上所发展出的；VMA 是比原始 paging 更高级的内存管理方法。

图：Process与 VMA 关系

Memory Descriptor

Linux 的「Process Descriptor」数据结构 struct task_struct（include/linux/sched.h）。Process descriptor 里的 mm field 记录了 process 的 VMA 信息：

struct task_struct {

...

struct mm_struct *mm;

...

}

struct mm_struct 即是 Linux 提供的「Memory Descriptor」数据结构，以下是 struct mm_struct 的原型宣告：

struct mm_struct {

struct vm_area_struct * mmap; /* list of VMAs */

struct rb_root mm_rb;

struct vm_area_struct * mmap_cache; /* last find_vma result */

unsigned long (*get_unmapped_area) (struct file *filp,

unsigned long addr, unsigned long len,

unsigned long pgoff, unsigned long flags);

void (*unmap_area) (struct mm_struct *mm, unsigned long addr);

unsigned long mmap_base; /* base of mmap area */

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;

atomic_t mm_users; /* How many users with user space? */

atomic_t mm_count; /* How many references to "struct mm_struct" (users count as 1) */

int map_count; /* number of VMAs */

struct rw_semaphore mmap_sem;

spinlock_t page_table_lock; /* Protects page tables and some counters */

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

/* Special counters, in some configurations protected by the

* page_table_lock, in other configurations by being atomic.

mm_counter_t _file_rss;

mm_counter_t _anon_rss;

unsigned long hiwater_rss; /* High-watermark of RSS usage */

unsigned long hiwater_vm; /* High-water virtual memory usage */

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;

unsigned long start_brk, brk, start_stack;

unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end;

unsigned long saved_auxv[AT_VECTOR_SIZE]; /* for /proc/PID/auxv */

unsigned dumpable:2;

cpumask_t cpu_vm_mask;

/* Architecture-specific MM context */

mm_context_t context;

/* Token based thrashing protection. */

unsigned long swap_token_time;

char recent_pagein;

/* coredumping support */

int core_waiters;

struct completion *core_startup_done, core_done;

/* aio bits */

rwlock_t ioctx_list_lock;

struct kioctx *ioctx_list;

};

Memory descriptor 顾名思义，是用来描述 process 内存信息的数据结构。由 struct mm_struct 里可以看到一个名为 mmap 的 field，mmap 的 data type 为 struct vm_area_struct，这个数据结构即是我们在「Linux 的 Virtual Memory Areas（VMA）：基本概念结介绍」所介绍的 VMA 数据结构。

VMA 与 ELF Image 的对应关系

在「Linux 的 Virtual Memory Areas（VMA）：基本概念介绍」曾经介绍过，Process 的 VMA 对应，可以由 /proc/<pid>/maps 命令查询；例如 pid 1（init）的 VMA mapping 为：