• mmap内核实现及物理内存组织结构

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    主要参考了《深入linux内核》和《Linux内核深度解析》，另外简单浅析了一下相关内容

    mmap内核实现及物理内存组织结构

    虚拟内存区域使用起始地址和结束地址描述，链表按起始地址递增排序。两系统调用区别: mmap指定的偏移的单位是字节，而mmap2指定的偏移的单位是页。ARM64架构实现系统调用mmap。

    系统调用mmap

    系统调用mmap用来创建内存映射，把创建内存映射主要工作委托给do_mmap函数，内核源码文件处理：

    mm/mmap.c

    #define SYSCALL_DEFINE1(name, …) SYSCALL_DEFINEx(1, _##name, VA_ARGS)

    #define SYSCALL_DEFINE2(name, …) SYSCALL_DEFINEx(2, _##name, VA_ARGS)

    #define SYSCALL_DEFINE3(name, …) SYSCALL_DEFINEx(3, _##name, VA_ARGS)

    #define SYSCALL_DEFINE4(name, …) SYSCALL_DEFINEx(4, _##name, VA_ARGS)

    #define SYSCALL_DEFINE5(name, …) SYSCALL_DEFINEx(5, _##name, VA_ARGS)

    #define SYSCALL_DEFINE6(name, …) SYSCALL_DEFINEx(6, _##name, VA_ARGS)

    #define SYSCALL_DEFINEx(x, sname, …) \

    SYSCALL_METADATA(sname, x, VA_ARGS) \

    __SYSCALL_DEFINEx(x, sname, VA_ARGS)

    sys_mmap

    SYSCALL_DEFINE1(old_mmap, struct mmap_arg_struct __user *, arg)
{
	struct mmap_arg_struct a;

	if (copy_from_user(&a, arg, sizeof(a)))
		return -EFAULT;
	if (offset_in_page(a.offset)) // 检查是不是整数倍
		return -EINVAL;

	return sys_mmap_pgoff(a.addr, a.len, a.prot, a.flags, a.fd,
			      a.offset >> PAGE_SHIFT);
}

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    sys_mmap_pgoff

    SYSCALL_DEFINE6(mmap_pgoff, unsigned long, addr, unsigned long, len,
		unsigned long, prot, unsigned long, flags,
		unsigned long, fd, unsigned long, pgoff)
{
	struct file *file = NULL;
	unsigned long retval;

	if (!(flags & MAP_ANONYMOUS)) {
		audit_mmap_fd(fd, flags);
		file = fget(fd);
		if (!file)
			return -EBADF;
		if (is_file_hugepages(file))
			len = ALIGN(len, huge_page_size(hstate_file(file)));
		retval = -EINVAL;
		if (unlikely(flags & MAP_HUGETLB && !is_file_hugepages(file)))
			goto out_fput;
	} else if (flags & MAP_HUGETLB) {
		struct user_struct *user = NULL;
		struct hstate *hs;

		hs = hstate_sizelog((flags >> MAP_HUGE_SHIFT) & MAP_HUGE_MASK);
		if (!hs)
			return -EINVAL;

		len = ALIGN(len, huge_page_size(hs));
		/*
		 * VM_NORESERVE is used because the reservations will be
		 * taken when vm_ops->mmap() is called
		 * A dummy user value is used because we are not locking
		 * memory so no accounting is necessary
		 */
		file = hugetlb_file_setup(HUGETLB_ANON_FILE, len,
				VM_NORESERVE,
				&user, HUGETLB_ANONHUGE_INODE,
				(flags >> MAP_HUGE_SHIFT) & MAP_HUGE_MASK);
		if (IS_ERR(file))
			return PTR_ERR(file);
	}

	flags &= ~(MAP_EXECUTABLE | MAP_DENYWRITE);

	retval = vm_mmap_pgoff(file, addr, len, prot, flags, pgoff);
out_fput:
	if (file)
		fput(file);
	return retval;
}

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    系统调用munmap

    系统调用munmap用来删除 内存映射，它有两个参数：起始地址 和长度即可。它的主要工作委托给内 核源码文件处理“mm/mmap.c”当 中的函数do_munmap。

    image-20220525212051163

    如上图的9个项

    1、vma = find_vma(mm, start); //根据起始地址找到要删除的第一个虚拟内存区域vma
    2、如果只删除虚拟内存区域vma的部分，那么分裂虚拟内存区域vma
    3、根据结束地址找到要删除的最后一个虚拟内存区域vma
    4、如果只删除虚拟内存区域last的一部分，那么分裂虚拟内存区域vma
    5、针对所有删除目标，如果虚拟内存区域被锁定在内存中(不允许换出到交换区 (swap) )，同用函数解除锁定。
    6、调用此函数，把所有删除目标从进程虚拟内存区域链表和树中删除，单独组成一条临时的链表。
    7、调用此函数，针对所有删除目标，在进程的页表中删除映射，并且从处理器的页表缓存（tlb_gather_mmu）中删除映射。
    8、调用此函数执行处理器架构特定的处理操作。
    9、调用此函数，删除所有目标。

    /* Munmap is split into 2 main parts -- this part which finds
 * what needs doing, and the areas themselves, which do the
 * work.  This now handles partial unmappings.
 * Jeremy Fitzhardinge 
 */
int do_munmap(struct mm_struct *mm, unsigned long start, size_t len,
	      struct list_head *uf)
{
	unsigned long end;
	struct vm_area_struct *vma, *prev, *last;

	if ((offset_in_page(start)) || start > TASK_SIZE || len > TASK_SIZE-start)
		return -EINVAL;

	len = PAGE_ALIGN(len);
	if (len == 0)
		return -EINVAL;

	/* Find the first overlapping VMA */
	vma = find_vma(mm, start);
	if (!vma)
		return 0;
	prev = vma->vm_prev;
	/* we have  start < vma->vm_end  */

	/* if it doesn't overlap, we have nothing.. */
	end = start + len;
	if (vma->vm_start >= end)
		return 0;

	if (uf) {
		int error = userfaultfd_unmap_prep(vma, start, end, uf);

		if (error)
			return error;
	}

	/*
	 * If we need to split any vma, do it now to save pain later.
	 *
	 * Note: mremap's move_vma VM_ACCOUNT handling assumes a partially
	 * unmapped vm_area_struct will remain in use: so lower split_vma
	 * places tmp vma above, and higher split_vma places tmp vma below.
	 */
	if (start > vma->vm_start) {
		int error;

		/*
		 * Make sure that map_count on return from munmap() will
		 * not exceed its limit; but let map_count go just above
		 * its limit temporarily, to help free resources as expected.
		 */
		if (end < vma->vm_end && mm->map_count >= sysctl_max_map_count)
			return -ENOMEM;

		error = __split_vma(mm, vma, start, 0);
		if (error)
			return error;
		prev = vma;
	}

	/* Does it split the last one? */
	last = find_vma(mm, end);
	if (last && end > last->vm_start) {
		int error = __split_vma(mm, last, end, 1);
		if (error)
			return error;
	}
	vma = prev ? prev->vm_next : mm->mmap;

	/*
	 * unlock any mlock()ed ranges before detaching vmas
	 */
	if (mm->locked_vm) {
		struct vm_area_struct *tmp = vma;
		while (tmp && tmp->vm_start < end) {
			if (tmp->vm_flags & VM_LOCKED) {
				mm->locked_vm -= vma_pages(tmp);
				munlock_vma_pages_all(tmp);
			}
			tmp = tmp->vm_next;
		}
	}

	/*
	 * Remove the vma's, and unmap the actual pages
	 */
	detach_vmas_to_be_unmapped(mm, vma, prev, end);
	unmap_region(mm, vma, prev, start, end);

	arch_unmap(mm, vma, start, end);

	/* Fix up all other VM information */
	remove_vma_list(mm, vma);

	return 0;
}

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    /*
 * Get rid of page table information in the indicated region.
 *
 * Called with the mm semaphore held.
 */
static void unmap_region(struct mm_struct *mm,
		struct vm_area_struct *vma, struct vm_area_struct *prev,
		unsigned long start, unsigned long end)
{
	struct vm_area_struct *next = prev ? prev->vm_next : mm->mmap;
	struct mmu_gather tlb;

	lru_add_drain();
	tlb_gather_mmu(&tlb, mm, start, end);
	update_hiwater_rss(mm);
	unmap_vmas(&tlb, vma, start, end);
	free_pgtables(&tlb, vma, prev ? prev->vm_end : FIRST_USER_ADDRESS,
				 next ? next->vm_start : USER_PGTABLES_CEILING);
	tlb_finish_mmu(&tlb, start, end);
}

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    物理内存组织结构

    体系结构 NUMA / UMA

    目前多处理器系统有两种体系结构：

    1）非一致内存访问（Non-Unit Memory Access，NUMA）：指内存被划分成多个内存节点的多处理器系统。访问一个内存节点花费的时间取决于处理器和内存节点的距离。

    NUMA系统 每个CPU都有本地内存，可支持特别快速的访问。各个CPU之间通过总结连接起 来，以支持对其他CPU的本地内存访问，当然比访问本地内存要慢一点。

    image-20220525213904095

    2）对称多处理器（Symmetric Multi-Processor，SMP）：即一致内存访问（Uniform Memory Access，UMA），所有处理器访问内存花费的时间是相同。

    image-20220525213846351

    内存模型（物理内存分布）

    内存模型是从处理器角度看到的物理内存分布，内核管理不同内存模型的方式存差异。

    内存管理子系统支持3种内存模型：

    1）平坦内存（Flat Memory）：内存的物理地址空间是连续的，没有空洞。

    2）不连续内存（Discontiguous Memory）：内存的物理地址空间存在空洞，这种模型可以高效地处理空洞。

    3）稀疏内存（Space Memory）：内存的物理地址空间存在空洞，如果要支持内存热插拔，只能选择稀疏内存模型。

    什么情况会出现内存的物理地址空间存在空洞？

    • 系统包含多块物理内存，两块内存的物理地址空间之间存在空洞。一块内存的物理地址空间也可能存在空洞，可以查看处理器的参考手册获取分配给内存的物理地址空间。
      如果内存的物理地址空间是连续的，不连续内存模型会产生额外的开销，降低性能，所以平坦内存模型是更好的选择。

    如果内存的物理地址空间存在空洞，应该选择哪种内存模型？

    • 平坦内存模型会为空洞分配page结构体，浪费内存；而不连续内存模型对空洞做了优化处理，不会为空洞分配page结构体。和平坦内存模型相比，不连续内存模型是更好的选择。

    稀疏内存模型是实验性的，尽量不要选择稀疏内存模型，除非内存的物理地址空间很稀疏，或者要支持内存热插拔。其他情况应该选择不连续内存模型。

    三级结构（物理内存划分）

    内存管理子系统使用节点（node）、区域（zone）和页（page）三级结构描述物理内存。

    一个物理内存分为很多个node，每个node存在多个zone，每个zone细分为page大小。

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    内存节点 struct pglist_data

    内存节点分为两种情况：

    （1）NUMA体系的内存节点，根据处理器和内存的距离划分内存节点；

    （2）在具有不连续内存的UMA系统中，表示比区域的级别更高的内存区域，根据物理地址是否连续划分，每块物理地址连续的内存是一个内存节点。

    include/linux/mmzone.h

    • node_mem_map此成员指向页描述符数组，每个物理页对应一个页描述符。
    • Node是内存管理最顶层的结构，在NUMA架构下，CPU平均划分为多个Node，每个Node有自己的内存控制器及内存插槽。
    • CPU访问自己Node上内存速度快，而访问其他CPU所关联Node的内存速度慢。UMA被当做只一个Node的NUMA系统。
    typedef struct pglist_data {
	struct zone node_zones[MAX_NR_ZONES]; // 内存区域数组
	struct zonelist node_zonelists[MAX_ZONELISTS]; // 备用区域列表
	int nr_zones; // 该节点包含的内存区域数量
#ifdef CONFIG_FLAT_NODE_MEM_MAP	/* means !SPARSEMEM */
	struct page *node_mem_map; // 页描述符数组
#ifdef CONFIG_PAGE_EXTENSION
	struct page_ext *node_page_ext; // 页的扩展属性
#endif
#endif
	...
	unsigned long node_start_pfn; // 该节点的起始物理页号
	unsigned long node_present_pages; /// 物理页的总数
	unsigned long node_spanned_pages; // 物理页的总长度，包括空洞
    
	int node_id; // 节点标识符
	...
} pg_data_t;


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    内存区域 struct zone

    内存节点被划分为内存区域

    include/linux/mmzone.h

    内核定义的区域类型

    enum zone_type {
#ifdef CONFIG_ZONE_DMA
     ZONE_DMA,
#endif
#ifdef CONFIG_ZONE_DMA32
    ZONE_DMA32,
#endif
     ZONE_NORMAL,
#ifdef CONFIG_HIGHMEM
     ZONE_HIGHMEM,
#endif
     ZONE_MOVABLE,
#ifdef CONFIG_ZONE_DEVICE
     ZONE_DEVICE,
#endif
     __MAX_NR_ZONES
};

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    • DMA区域（ZONE_DMA）：DMA是“Direct Memory Access”的缩写，意思是直接内存访问。如果有些设备不能直接访问所有内存，需要使用DMA区域。
      例如旧的工业标准体系结构（Industry Standard Architecture，ISA）总线只能直接访问16MB以下的内存。
    • DMA32区域（ZONE_DMA32）：64位系统，如果既要支持只能直接访问16MB以下内存的设备，又要支持只能直接访问4GB以下内存的32位设备，
      那么必须使用DMA32区域。
    • 普通区域（ZONE_NORMAL）：直接映射到内核虚拟地址空间的内存区域，直译为“普通区域”，意译为“直接映射区域”或“线性映射区域”。
      内核虚拟地址和物理地址是线性映射的关系，即虚拟地址 =（物理地址 + 常量）。是否需要使用页表映射？不同处理器的实现不同，例如ARM处理器
      需要使用页表映射，而MIPS处理器不需要使用页表映射。
    • 高端内存区域（ZONE_HIGHMEM）：这是32位时代的产物，内核和用户地址空间按1 : 3划分，内核地址空间只有1GB，不能把1GB以上的内存直接
      映射到内核地址空间，把不能直接映射的内存划分到高端内存区域。通常把DMA区域、DMA32区域和普通区域统称为低端内存区域。64位系统的内核
      虚拟地址空间非常大，不再需要高端内存区域。
    • 可移动区域（ZONE_MOVABLE）：它是一个伪内存区域，用来防止内存碎片，后面讲反碎片技术的时候具体描述。
    • 设备区域（ZONE_DEVICE）：为支持持久内存（persistent memory）热插拔增加的内存区域。

    每个内存区域使用一个zone结构体描述，如下为主要成员

    struct zone {
	/* Read-mostly fields */

	/* zone watermarks, access with *_wmark_pages(zone) macros */
	unsigned long watermark[NR_WMARK]; // 页分配器使用的水线

	unsigned long nr_reserved_highatomic;

	long lowmem_reserve[MAX_NR_ZONES]; // 页分配器使用，当前区域保留多少页不能借给高的区域类型
    
    #ifdef CONFIG_NUMA
	int node;
#endif
	struct pglist_data	*zone_pgdat; // 指向内存节点的pglist_data实例
	struct per_cpu_pageset __percpu *pageset; // 每个处理器页集合

#ifndef CONFIG_SPARSEMEM
	/*
	 * Flags for a pageblock_nr_pages block. See pageblock-flags.h.
	 * In SPARSEMEM, this map is stored in struct mem_section
	 */
	unsigned long		*pageblock_flags; // 当前区域的起始物理页号
#endif /* CONFIG_SPARSEMEM */

	/* zone_start_pfn == zone_start_paddr >> PAGE_SHIFT */
	unsigned long		zone_start_pfn;

	unsigned long		managed_pages; // 伙伴分配器管理的物理页的数量
	unsigned long		spanned_pages; // 当前区域跨越的总页数，包括空洞
	unsigned long		present_pages; // 当前区域存在的物理页的数量，不包括空洞

	const char		*name; // 区域名称

#ifdef CONFIG_MEMORY_ISOLATION
	/*
	 * Number of isolated pageblock. It is used to solve incorrect
	 * freepage counting problem due to racy retrieving migratetype
	 * of pageblock. Protected by zone->lock.
	 */
	unsigned long		nr_isolate_pageblock;
#endif

#ifdef CONFIG_MEMORY_HOTPLUG
	/* see spanned/present_pages for more description */
	seqlock_t		span_seqlock;
#endif

	int initialized;

	/* Write-intensive fields used from the page allocator */
	ZONE_PADDING(_pad1_)

	/* free areas of different sizes */
	struct free_area	free_area[MAX_ORDER]; // 不同长度的空闲区域
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    物理页 struct page

    每个物理页对应一个page结构体，称为页描述符，内存节点的pglist_data实例的成员node_mem_map指向该内存节点包含的所有物理页的页描述符组成的数组。

    • 页是内存管理当中的最小单位，页面中的内存其物理地址是连续的，每个物理页由struct page描述。为了节省内存，struct page 是个联合体（共用体）。

    • 页，又称为页帧，在内核当中，内存管理单元MMU(负责虚拟地址和物理地址转换的硬件）是把物理页page作为内存管理的基本单位。体系结构不同，支持的页大小也相同。

    32位体系结构支持4kb的页
    64位体系结构支持8kb的页
    MIPS64架构体系支持16kb的页

    include/linux/mm_types.h

    struct page {
	/* First double word block */
	unsigned long flags;		/* Atomic flags, some possibly
					 * updated asynchronously */

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    结构体page的成员flags的布局如下

    • 其中，SECTION是稀疏内存模型中的段编号，NODE是节点编号，ZONE是区域类型，FLAGS是标志位。

    因为物理页的数量很大，所以在page结构体中增加1个成员，可能导致所有page实例占用的内存大幅增加。为了减少内存消耗，内核努力使page结构体尽可能小，对于不会同时生效的成员，使用联合体，这种做法带来的负面影响是page结构体的可读性差。

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