Arm64 linux Virtual memory分析

Memory layout

ARM32 memory layout

 

ARM32 虚拟地址设定：

1. 用户地址空间： 0~3G
2. 内核地址空间：3G+16M ~ 4G

内核的虚拟地址只有 1G空间，对于需要访问4G 范围地址是不够的，因此对于内核而言，kmalloc, vmalloc 建立ZONE_DMA, ZONE_NORMAL 的线性映射，而对于剩下的部分，内核需要时 remap 到ZONE_HIGHMEM, 用完释放掉以便其它模块复用，从而利用4G 空间。

用户空间，则实际只访问了3G 空间，它映射到 ZONE_HIGNMEM 物理地址空间。

ARM64 memory layout

 

ARM64 的虚拟地址足够大，通常使用 48bit 来描述地址范围

用户地址：0x0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ~ 0x0000 7fff ffff ffff ffff ffff ffff ffff

内核地址：0xffff 8000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 ~ 0xffff ffff ffff ffff ffff ffff ffff ffff

如果地址落在上面两个范围之外，则说明地址异常。

虚拟地址描述

加载ELF 创建 vm_area_struct

 对于一个进程，其虚拟地址的 vma ，如 stack, heap, data, bin 等都是在 load elf binary 过程中加载实现的，对于 stack, heap, bss 这些是通过 map anonymous memory 建立 vma, 而对于 data，text 则主要是 map file 实现的。

vm_area_struct 在进程中描述

 

Linux 对于每个线程，它用 task_struct 来进行描述，对于除了 Kthread的线程之外，都有一个 mm_struct, 它描述进程的虚拟内存空间，对于虚拟地址中的每个部分，都使用一个结构体 struct vm_area_struct 来描述。

在进程中， vm_area_struct 彼此之间通过双向链表关联起来，同时在 mm_struct 中 mm_rb用来快速查找一个 vma.

• 遍历 vma 方式

static void dump_task_vma(struct task_struct *tsk)
{
   struct mm_struct *mm = tsk->mm;
   struct vm_area_struct *vma;
   unsigned long flags;
   char perm[BUFLEN] = {0};
   int count;                                                                                                       
 
   for (vma = mm->mmap; vma; vma = vma->vm_next) {
   
   }

mmap

函数

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,
                  int fd, off_t offset);
                  
int munmap(void *addr, size_t length);

建立函数的映射和解除映射。

对于映射，其参数解释：

1. Addr: 映射地址
2. Length: 映射内存长度
3. Prot: 映射内存属性
4. Flags: 映射的 map shared 还是 map private
5. Fd: 映射的文件
6. Offset: 映射的文件的偏移，anonymous 映射时一般为0

映射示意

 

对于文件映射，其基本流程是：

1. File 读到 dram 作为 page cache
2. 通过 mmu 建立 physical address 和 virtual address 的映射
3. 用户通过指针即可对文件进行读写操作

对于mmap 本身而言，read/write 是需要用户自己进行并发控制的。

映射时序

建立映射基本要点：

1. 通过 mmap 传递的 fd, offset, length, prot, flags 等参数，在 virtual memory area 中找到一个 gap 满足需求的地址范围
2. 使用 vm_area_alloc 分配一个 vma
3. 将 vma 添加到 rbtree 中去

Vma 如何分配 page?

Pagefault 映射

这里仅从宏观上分析vma 的page建立方式， 关于pgfault 具体细节分析，我们下次继续。