4.对区域的操作

内核提供了各种函数来操作进程的虚拟内存区域。在建立或删除映射时，创建和删除区域（以及查找用于新区域的适当的内存位置）是所需要的标准操作。如图4-10所示。

将虚拟地址关联到区域

通过虚拟地址，find_vma可以查找用户地址空间中结束地址在给定地址之后的第一个区域，即满足addr < vm_area_struct->vm_end条件的第一个区域。

<mm/mmap.c> 
struct vm_area_struct * find_vma(struct mm_struct * mm, unsigned long addr) 
{ 
　　struct vm_area_struct *vma = NULL; 
　　if (mm) { 
　　　　/* 首先检查缓存。 */ 
　　　　/* （缓存命中率通常大约是35%。） */ 
　　　　vma = mm->mmap_cache; 
　　　　if (!(vma && vma->vm_end > addr && vma->vm_start <= addr)) { 
　　　　　　struct rb_node * rb_node; 
　　　　　　rb_node = mm->mm_rb.rb_node; 
　　　　　　vma = NULL; 
　　　　　　while (rb_node) { 
　　　　　　　　struct vm_area_struct * vma_tmp; 
 　　　　　　　 vma_tmp = rb_entry(rb_node, 
　　　　　　　　struct vm_area_struct, vm_rb); 
　　　　　　　　if (vma_tmp->vm_end > addr) { 
　　　　　　　　　　vma = vma_tmp; 
　　　　　　　　　　if (vma_tmp->vm_start <= addr) 
 　　　　　　　　　    break; 
　　　　　　　　　　rb_node = rb_node->rb_left; 
 　　　　　　  } else 
　　　　　　　　　　rb_node = rb_node->rb_right; 
　　　　　　　　} 
　　　　 if (vma) 
　　　　　　 mm->mmap_cache = vma; 
　　　　} 
　　} 
　　return vma; 
}

内核首先检查上次处理的区域（现在保存在mm->mmap_cache）中是否包含所需的地址，即是否该区域的结束地址在目标地址之后，而起始地址在目标地址之前。倘若如此，内核不会执行if语句，而是立即将指向该区域的指针返回。

否则必须逐步搜索红黑树。如果相关的区域结束地址大于目标地址而起始地址小于目标地址，内核就找到了一个适当的结点，可以退出while循环,否则，再继续搜索：

 如果当前区域结束地址大于目标地址，则从左子结点开始；

 如果当前区域的结束地址小于等于目标地址，则从右子结点开始。

如果找到适当的区域，则将其指针保存在mmap_cache中，因为下一次find_vma调用搜索同一个区域中邻近地址的可能性很高。

find_vma_intersection是另一个辅助函数，用于确认边界为start_addr和end_addr的区间是否完全包含在一个现存区域内部。它基于find_vma，很容易实现，如下所示：

<mm.h> 
static inline struct vm_area_struct * find_vma_intersection(struct mm_struct * mm, unsigned long start_addr, unsigned long end_addr) 
{ 
　　struct vm_area_struct * vma = find_vma(mm,start_addr); 
　　if (vma && end_addr <= vma->vm_start) 
　　　　vma = NULL; 
　　return vma; 
}

区域合并

在新区域被加到进程的地址空间时，内核会检查它是否可以与一个或多个现存区域合并，如图4-10所示。

vm_merge在可能的情况下，将一个新区域与周边区域合并。它需要很多参数。

mm/mmap.c 
struct vm_area_struct *vma_merge(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *prev, unsigned long addr, unsigned long end, unsigned long vm_flags, 
struct anon_vma *anon_vma, struct file *file, pgoff_t pgoff, struct mempolicy *policy) 
{ 
pgoff_t pglen = (end -addr) >> PAGE_SHIFT; 
struct vm_area_struct *area, *next; 
...

mm是相关进程的地址空间实例，而prev是是紧接着新区域之前的区域。rb_parent是该区域在红黑查找树中的父结点。addr、end和vm_flags分别是新区域的开始地址、结束地址、标志。如果该区域属于一个文件映射，则file是一个指向表示该文件的file实例的指针。pgoff指定了映射在文件数据内的偏移量。

实现的技术细节非常简单。首先检查确定前一个区域的结束地址是否对应于新区域的起始地址。倘若如此，内核接下来必须检查两个区域，确认二者的标志和映射的文件相同，文件映射内部的偏移量符合连续区域的要求，两个区域内匿名映射相同或其中一个为NULL，而且两个区域彼此兼容。(如果两个文件映射在地址空间中连续，但在文件中不连续，亦无法合并)

通过can_vma_merge_after辅助函数完成检查。将区域与前一个区域合并的工作看起来如下所示：

mm/mmap.c 
　　if (prev && prev->vm_end == addr && can_vma_merge_after(prev, vm_flags, 
       anon_vma, file, pgoff)) { 
...

如果可以，内核接下来检查后一个区域是否可以合并。

mm/mmap.c 
　　/* 
　　* OK，前一个可以合并。 现在我们可以合并后一个么？
　　*/ 
　　if (next && end == next->vm_start &&  can_vma_merge_before(next, vm_flags, anon_vma, file, pgoff+pglen) && is_mergeable_anon_vma(prev->anon_vma, next->anon_vma)) { 
　　　　vma_adjust(prev, prev->vm_start, next->vm_end, prev->vm_pgoff, NULL); 
　　} else 
　　　　vma_adjust(prev, prev->vm_start, end, prev->vm_pgoff, NULL); 
　　return prev; 
}

与前一例相比，第一个差别是使用can_vma_merge_before来检查两个区域是否可以合并，替代了can_vma_merge_after。如果前一个和后一个区域都可以与当前区域合并，还必须确认前一个和后一个区域的匿名映射可以合并，然后才能创建包含这3个区域的一个单一区域。

插入区域

insert_vm_struct是内核用于插入新区域的标准函数。

首先调用find_vma_prepare，通过新区域的起始地址和涉及的地址空间（mm_struct），获取下列信息。

 前一个区域的vm_area_struct实例。

 （红黑树中）保存新区域结点的父结点。

 包含该区域自身的（红黑树）叶结点。

C语言中函数只允许返回一个值，这是常识，因此上述函数只返回了一个指向前一个区域的指针作为结果。剩余的信息通过指针参数提供。

查找到的信息足以使用vma_link将新区域合并到该进程现存的数据结构中。在经过一些准备工作之后，该函数将实际工作委托给__vma_link，后者执行3个插入操作，如代码流程图所示。

 __vma_link_list将新区域放置到进程管理区域的线性链表上。完成该工作，只需提供使用find_vma_prepare找到的前一个和后一个区域。①

 顾名思义，__vma_link_rb将新区域连接到红黑树的数据结构中。

 __anon_vma_link将vm_area_struct实例添加到匿名映射的链表，上文讨论过。

最后，__vma_link_file将相关的address_space和映射（如果是文件映射）关联起来，并使用vma_prio_tree_insert将该区域添加到优先树中，对多个相同区域的处理如上所述。

创建区域

在向数据结构插入新的内存区域之前，内核必须确认虚拟地址空间中有足够的空闲空间，可用于给定长度的区域。该工作分配给get_unmapped_area辅助函数完成。

mm/mmap.c 
unsigned long get_unmapped_area(struct file *file, unsigned long addr, unsigned long len, unsigned long pgoff, unsigned long flags)

根据进程虚拟地址空间的布局，会选择使用不同的映射函数。在这里我主要考虑大多数系统上采用的标准函数arch_get_unmapped_area。

arch_get_unmapped_area首先必须检查是否设置了MAP_FIXED标志，该标志表示映射将在固定地址创建。倘若如此，内核只会确保该地址满足对齐要求（按页），而且所要求的区间完全在可用地址空间内。

如果没有指定区域位置，内核将调用arch_get_unmapped_area在进程的虚似内存区中查找适当的可用区域。如果指定了一个特定的优先选用（与固定地址不同）地址，内核会检查该区域是否与现存区域重叠。如果不重叠，则将该地址作为目标返回。

mm/mmap.c 
unsigned long arch_get_unmapped_area(struct file *filp, unsigned long addr, unsigned long len, unsigned long pgoff, unsigned long flags) 
{ 
　　struct mm_struct *mm = current->mm;
...
　　if (addr) { 
　　addr = PAGE_ALIGN(addr); 
　　vma = find_vma(mm, addr); 
　　if (TASK_SIZE -len >= addr && (!vma || addr + len <= vma->vm_start)) 
　　　　return addr; 
} 
...

否则，内核必须遍历进程中可用的区域，设法找到一个大小适当的空闲区域。这样做时，内核会检查是否可使用前一次扫描时缓存的区域。

mm/mmap.c 
　　if (len > mm->cached_hole_size) { 
　　　　start_addr = addr = mm->free_area_cache; 
　　} else { 
　　　　start_addr = addr = TASK_UNMAPPED_BASE; 
　　　　mm->cached_hole_size = 0; 
} 
...

如果搜索持续到用户地址空间的末端（TASK_SIZE），仍然没有找到适当的区域，则内核返回一个-ENOMEM错误。错误必须发送到用户空间，且由相关的应用程序来处理。该错误代码表示虚拟地址空间中可用内存不足，无法满足应用程序的请求。如果找到内存，则返回其起始处的虚拟地址。

否则，内核必须遍历进程中可用的区域，设法找到一个大小适当的空闲区域。这样做时，内核会检查是否可使用前一次扫描时缓存的区域。

mm/mmap.c 
if (len > mm->cached_hole_size) { 
　　start_addr = addr = mm->free_area_cache; 
} else { 
　　start_addr = addr = TASK_UNMAPPED_BASE; 
　　mm->cached_hole_size = 0; 
} 
...

实际的遍历，或者开始于虚拟地址空间中最后一个“空洞”的地址，或者开始于全局的起始地址TASK_UNMAPPED_BASE。

mm/mmap.c 
full_search: 
　　for (vma = find_vma(mm, addr); ; vma = vma->vm_next) { 
　　/* At this point: (!vma || addr < vma->vm_end). */ 
　　　　if (TASK_SIZE - len < addr) { 
　　　　　　 /* 
　　　　　　* 开始一次新的搜索，以防错过某些空洞。
　　　　　　*/ 
　　　　　　if (start_addr != TASK_UNMAPPED_BASE) { 
 　　　　　　　　addr = TASK_UNMAPPED_BASE; 
　　　　　　　　 start_addr = addr; 
　　　　　　　　 mm->cached_hole_size = 0; 
 　　　　　　　　goto full_search; 
　　　　　　 } 
　　　　　　 return -ENOMEM; 
　　　　} 
　　　　if (!vma || addr + len <= vma->vm_start) { 
　　　　 /* 
　　　　* 记住我们停止搜索的位置：
　　　　*/ 
　　　　　　mm->free_area_cache = addr + len; 
 　　　　　　return addr; 
　　　　} 
　　　　if (addr + mm->cached_hole_size < vma->vm_start) 
　　　　　　mm->cached_hole_size = vma->vm_start - addr; 
　　　　　　addr = vma->vm_end; 
　　　　} 
}

insert_vm_struct返回的值有前一个区域(prev)的指针，和后一个区域(prev->next)指针，后一个指针指向的vm_area_struct区间可能包括参数addr也可能不包含

__vma = find_vma_prepare(mm,vma->vm_start,&prev,&rb_link,&rb_parent);
    if (__vma && __vma->vm_start < vma->vm_end)
        return -ENOMEM;

find_vma则返回vm_area_struct的一个指针，指针指向的vm_area_struct区间可能包括参数addr也可能不包含

posted @ 2022-03-24 21:44 while(true);; 阅读(62) 评论(0) 编辑收藏举报

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