内存管理-5-物理内存数据结构-4-struct address_space

基于msm-5.4

一、简介

在 Linux 内存管理里，struct address_space 可以理解为“一个可缓存、可映射对象在内核中的内存视图描述符”。

最常见的对象是文件 inode，对应 inode.i_mapping。它把这几个关键维度绑在一起：
(1) 页缓存管理(哪些页在 page cache 里).
(2) 用户态 mmap 映射关系(哪些 VMA 映射了它).
(3) 回写与错误传播(脏页写回、回写错误).
(4) 文件系统回调接口(a_ops)

所以它是文件系统层和内存管理层的核心桥梁结构。是文件页缓存与 mmap 映射的总控制块，既管页，也管映射，还负责把回写错误和文件系统操作连接起来。”

一个文件在内存中对应的所有物理页组成了一棵基数树。而一个文件在内存中具有唯一的 inode 结构标识，inode 结构中有该文件所属的设备及其标识符，因而，根据一个 inode 能够确定其对应的后备设备。为了将文件在物理内存中的页缓存和文件及其后备设备关联起来，linux内核引入了 address_space 结构体。可以说 address_space 结构体是将页缓存和文件系统关联起来的桥梁。

struct address_space 结构不但可以用于描述文件页缓存(如 file->f_mapping)，还可以用做描述swapcache，如 struct address_space *swapper_spaces[];

二、成员介绍

struct address_space { //fs.h
    struct inode    *host;
    struct xarray    i_pages;
    gfp_t        gfp_mask;
    atomic_t    i_mmap_writable;
#ifdef CONFIG_READ_ONLY_THP_FOR_FS
    atomic_t        nr_thps;
#endif
    struct rb_root_cached    i_mmap;
    struct rw_semaphore    i_mmap_rwsem;
    unsigned long        nrpages;
    unsigned long        nrexceptional;
    pgoff_t            writeback_index;
    const struct address_space_operations *a_ops;
    unsigned long        flags;
    errseq_t        wb_err;
    spinlock_t        private_lock;
    struct list_head    private_list;
    void            *private_data;
} __attribute__((aligned(sizeof(long)))) __randomize_layout;

注: 此结构通常作为 struct inode.i_mapping 指向，它又指向 inode.i_data 成员，打开一个文件时创建的 struct file 对象，struct file.f_mapping 会继承 inode.i_mapping，这样就可以通过打开的文件访问页缓存了。多个进程打开同一个文件时，所有 file 对象的 file.f_mmaping 都会指向相同的 inode.i_mapping。

成员介绍：

1. host:
该 mapping 的拥有者，通常是 inode，也可能是 block_device。作用是让 VM 从 mapping 回到“上层对象”，例如拿到 inode 属性、超级块信息等。

2. i_pages:
页缓存容器， 使用xarray来存储所有的页缓存页。里面存的是普通 page cache 页，或 exceptional entry(例如 shadow 条目、DAX 特殊条目)。作用是按页索引快速查找缓存页，是 read/write/mmap 缓存命中的核心数据结构。

3. gfp_mask:
这个 mapping 分配页缓存页时允许使用的内存分配标志。用于约束分配行为，例如是否允许进入文件系统回收路径，避免递归死锁等。

4. i_mmap_writable:
可写共享映射计数(VM_SHARED 且可写相关语义)。用于判断该文件是否存在可写共享映射，支持“禁止新增可写映射”等控制逻辑(例如写保护相关场景).

5. nr_thps:
该 mapping 中 THP 页缓存计数(仅特定配置下存在)。用于统计与策略判断，主要给只读文件 THP 场景使用。

6. i_mmap:
映射该文件的 VMA 区间树(红黑树缓存根)。作用是当页失效、截断、回收、写保护变化时，内核可快速找到受影响的用户映射并进行页表级处理。管理所有映射该文件的进程虚拟地址区域。

7. i_mmap_rwsem:
保护 i_mmap 和 i_mmap_writable 的读写信号量。用于并发控制，确保 mmap 建立/拆除与遍历映射关系时一致性。

8. nrpages:
当前 mapping 中“普通 page cache 页条目数”。用于快速统计缓存规模，供回收和写回路径参考。

9. nrexceptional:
当前 mapping 中 exceptional entry 数量。典型包含：shadow entries(回收后留下的工作集提示)、DAX 相关条目。用于帮助内核区分“真实页缓存页”和“特殊占位条目”。

10. writeback_index:
写回扫描起始位置(页索引)。用于回写时从这个位置继续推进，避免每次都从头扫描，提高大文件回写公平性和效率。

回写起始索引，记录脏页写回的起始页号，避免重复刷盘。

11. a_ops:
address_space_operations 回调函数表。用于告诉 VM “这个 mapping 的页该如何读、写、失效、迁移、直接 IO”等。典型函数包括 readpage、writepage、writepages、write_begin、write_end、invalidatepage、releasepage、migratepage、swap_activate 等。

页缓存的操作函数集。

12. flags:
mapping 状态位集合，取值：

/* Bits in mapping->flags. */
enum mapping_flags { //pagemap.h
    AS_EIO        = 0,        /* IO error on async write */
    AS_ENOSPC    = 1,        /* ENOSPC on async write */
    AS_MM_ALL_LOCKS    = 2,    /* under mm_take_all_locks() */
    AS_UNEVICTABLE    = 3,    /* e.g., ramdisk, SHM_LOCK */
    AS_EXITING    = 4,         /* final truncate in progress */
    /* writeback related tags are not used */
    AS_NO_WRITEBACK_TAGS = 5,
};

常见语义：

(1) 异步回写错误标记(如 EIO、ENOSPC 的历史兼容位).
(2) 是否不可回收(unevictable)，使用函数如 mapping_unevictable()。这个是 address_space 级别的，不是页级别的。
(3) 是否正在退出(exiting).
(4) 是否使用写回标签等策略位.

13. wb_err:
基于 errseq 的回写错误序列状态。用于记录最近一次写回错误。让 fsync 等接口按“采样点之后是否出错”语义向用户态报告错误，这是现代内核报告写回错误的关键机制。

14. private_lock:
留给 mapping 拥有者使用的私有自旋锁。用于保护 private_list 和 private_data，具体语义由具体文件系统或子系统定义。

15. private_list:
留给拥有者挂接私有链表节点的链表头。用于扩展，常用于文件系统自己的脏元数据、缓冲头或其他关联对象的管理。

16. private_data:
留给拥有者的私有指针。也是扩展点，指向文件系统或设备自定义上下文。

 

三、struct address_space_operations

1. 结构体描述

struct address_space_operations { //fs.h
    int (*writepage)(struct page *page, struct writeback_control *wbc);
    int (*readpage)(struct file *, struct page *);
    int (*writepages)(struct address_space *, struct writeback_control *);
    int (*set_page_dirty)(struct page *page);
    int (*readpages)(struct file *filp, struct address_space *mapping, struct list_head *pages, unsigned nr_pages);
    int (*write_begin)(struct file *, struct address_space *mapping,
                loff_t pos, unsigned len, unsigned flags, struct page **pagep, void **fsdata);
    int (*write_end)(struct file *, struct address_space *mapping,
                loff_t pos, unsigned len, unsigned copied, struct page *page, void *fsdata);
    sector_t (*bmap)(struct address_space *, sector_t);
    void (*invalidatepage) (struct page *, unsigned int, unsigned int);
    int (*releasepage) (struct page *, gfp_t);
    void (*freepage)(struct page *);
    ssize_t (*direct_IO)(struct kiocb *, struct iov_iter *iter);
    int (*migratepage) (struct address_space *, struct page *, struct page *, enum migrate_mode);
    bool (*isolate_page)(struct page *, isolate_mode_t);
    void (*putback_page)(struct page *);
    int (*launder_page) (struct page *);
    int (*is_partially_uptodate) (struct page *, unsigned long, unsigned long);
    void (*is_dirty_writeback) (struct page *, bool *, bool *);
    int (*error_remove_page)(struct address_space *, struct page *);
    int (*swap_activate)(struct swap_info_struct *sis, struct file *file, sector_t *span);
    void (*swap_deactivate)(struct file *file);
};

address_space_operations 是文件系统提供给 VM 的“页缓存操作接口表”。VM 不关心你是 ext4、xfs 还是其他文件系统，它只通过这组回调完成：
(1) 把页读进 page cache.
(2) 把脏页写回存储.
(3) 处理截断、回收、迁移.
(4) 支持 swapfile 激活与停用.
可以把它看成：VM 到具体文件系统的数据面适配层。

这里按“读路径、写路径、回收迁移、swap 支持”分组，逐个解释它们的职责和典型调用场景。

2. 写回相关回调

2.1 writepage(page, wbc)
含义：回写单个脏页。
场景：回收脏页、后台回写线程扫描到脏页。
要点：常见返回0；有时可返回 AOP_WRITEPAGE_ACTIVATE，提示 VM 把页重新激活而不是继续回收。

 

2.2 writepages(mapping, wbc)
含义：批量回写该 mapping 的脏页。
场景：sync、fsync、后台脏页回写、内存回收触发集中写回。
要点：通常比逐页 writepage 更高效，可按文件系统策略聚合IO。

 

2.3 set_page_dirty(page)
含义：把页标脏（并维护文件系统所需的脏状态）。
场景：页内容被修改后。
要点：返回值表示这次是否真的把页从“非脏”变成“脏”。

调用路径:

set_page_dirty(page) //mm/page-writeback.c
    mapping->a_ops->set_page_dirty(page)

 

3. 读取与预读回调

3.1 readpage(file, page)
含义：把一个页从后备存储读入。
场景：缺页或缓存未命中。
要点：需要正确设置页的 uptodate、错误状态，并解锁页。

调用路径:

generic_file_buffered_read //mm/filemap.c
    mapping->a_ops->readpage(filp, page);

 

3.2 readpages(file, mapping, pages, nr_pages)
含义：批量预读。
场景：readahead。
要点：和 readpage 不同，它是“预取优化接口”，目标是提高顺序读吞吐。

调用路径:

read_pages //mm/readahead.c
    mapping->a_ops->readpages(filp, mapping, pages, nr_pages);

 

4. buffered write回调

这两个是 buffered write 路径最核心的一对回调。

4.1 write_begin(file, mapping, pos, len, flags, pagep, fsdata)
含义：开始一次 buffered write，准备目标页。
场景：用户写文件走 page cache 路径时。
要点：负责拿到并锁定页、处理块映射/空间预留等前置动作。

调用路径:

pagecache_write_begin //mm/filemap.c
    mapping->a_ops->write_begin(file, mapping, pos, len, flags, pagep, fsdata);

generic_perform_write //mm/filemap.c
    mapping->a_ops->write_begin(file, mapping, pos, bytes, flags, &page, &fsdata);

 

(2) write_end(file, mapping, pos, len, copied, page, fsdata)
含义：结束一次 buffered write。
场景：拷贝数据到页之后。
要点：更新脏状态、i_size、元数据等；返回实际写入字节数或错误。

调用路径:

pagecache_write_end //mm/filemap.c
    mapping->a_ops->write_end(file, mapping, pos, len, copied, page, fsdata);

generic_perform_write
    mapping->a_ops->write_end(file, mapping, pos, bytes, copied, page, fsdata);

 

5. 块映射与页生命周期回调

5.1 bmap(mapping, block)
含义：把文件逻辑块映射到设备物理块(历史接口)。
场景：主要给旧接口如 FIBMAP。
要点：现代路径使用减少，但仍可能被实现。

调用路径:

bmap(inode, block) //fs/inode.c
    inode->i_mapping->a_ops->bmap(inode->i_mapping, block);

 

5.2 invalidatepage(page, offset, length)
含义：页局部或全部失效时，释放对应私有状态。
场景：truncate、hole punch、失效页缓存。
要点：常见用于释放 buffer_head 等附属结构。

调用路径:

do_invalidatepage(page, offset, length) //mm/truncate.c
    page->mapping->a_ops->invalidatepage(page, offset, length);

 

5.3 releasepage(page, gfp)
含义：回收器想释放该页时，询问文件系统能否释放其私有数据。
场景：内存回收。
要点：返回 1 表示已释放可继续回收，返回 0 表示当前不能释放。

调用路径:

try_to_release_page(page, gfp_mask) //mm/filemap.c
    mapping->a_ops->releasepage(page, gfp_mask);

 

5.4 freepage(page)
含义：页即将被释放时的最终清理钩子。
场景：页从缓存移除并真正释放。
要点：清理文件系统在页上的残留私有资源。

6. 直接IO与迁移回调

6.1 direct_IO(iocb, iter)
含义：绕过 page cache 的直接 IO。
场景：O_DIRECT。
要点：由文件系统自行处理对齐、块映射和数据传输。

调用路径:

generic_file_read_iter(iocb, iter) //mm/filemap.c
    mapping->a_ops->direct_IO(iocb, iter);

generic_file_direct_write(iocb, from) //mm/filemap.c
    mapping->a_ops->direct_IO(iocb, from);

 

5.2 migratepage(mapping, newpage, oldpage, mode)
含义：页面迁移时搬运页内容及其私有状态。
场景：NUMA 迁移、内存压缩/整理、内存热迁移。
要点：异步迁移模式下不能随意阻塞。

调用路径:

move_to_new_page(newpage, page, mode) //mm/migrate.c
    mapping->a_ops->migratepage(mapping, newpage, page, mode);

move_to_new_page(newpage, page, mode) //mm/migrate.c
    mapping->a_ops->migratepage(mapping, newpage, page, mode);

 

6.3 isolate_page(page, isolate_mode) / putback_page(page)
含义：配合文件系统管理的特殊页隔离与放回。
场景：特定回收或迁移策略。
要点：不是所有文件系统都实现。

 

6.4 launder_page(page)
含义：在回收前“清洗”页(典型是确保脏状态处理完)。
场景：回收路径需要更强保证时。
要点：可触发写回或等待。

7. 页状态判断与错误处理回调

(1) is_partially_uptodate(page, from, count)
含义：页是否“部分有效”。
场景：子页粒度有效性判断(某些文件系统或网络文件系统场景)。
要点：优化部分读取和一致性判断。

(2) is_dirty_writeback(page, dirty, writeback)
含义：查询页的脏/回写状态(含文件系统私有状态)。
场景：VM 在通用标志之外需要 FS 辅助判断时。
要点：帮助 VM 决策回收与等待行为。

(3) error_remove_page(mapping, page)
含义：在错误场景下从缓存移除页。
场景：IO错误恢复、数据一致性异常处理。
要点：让文件系统介入决定如何安全移除或清理该页。

9. swapfile支持回调

9.1 swap_activate(sis, file, span)
含义：把普通文件激活为 swapfile。
场景：swapon 指向文件时。
要点：建立文件逻辑页到可交换后备块的映射关系，并返回可用跨度信息。

调用路径：

setup_swap_extents(sis, span) //mm/swapfile.c
    mapping->a_ops->swap_activate(sis, swap_file, span);

 

9.2 swap_deactivate(file)
含义：停用 swapfile。
场景：swapoff 时。
要点：清理激活期间建立的文件系统侧状态。

调用路径：

destroy_swap_extents(sis) //mm/swapfile.c
    mapping->a_ops->swap_deactivate(swap_file);

 

如果你读某个文件系统实现，按这个顺序最容易抓主干：先看 write_begin/write_end, 确认 buffered write 语义; 再看 readpage/readpages 确认读入和预读行为; 再看 writepage/writepages 确认回写策略; 最后看 invalidatepage/releasepage/migratepage 确认回收与迁移兼容性。