Linux内存管理分析报告

分析内容： linux 内存管理之sys_brk 实现分析

目 录

1       概述... 2

1.1       报告题目... 2

2       系统调用功能概述... 2

3       数据结构分析... 4

3.1       数据结构... 5

3.2       vm_area_struct结构体... 6

3.3       mm_struct结构体... 8

4       sbrk()系统调用代码分析... 10

4.1       用户空间的收缩... 12

4.1.1        do_munmap. 12

4.2       用户空间的伸展... 28

4.2.1        find_vma_intersection. 28

4.2.2        do_brk. 29

4.3       流程图... 34

4.4       新旧版本对比分析... 35

5       心得体会... 37

6       附录... 39

6.1       参考文献... 39

6.2       相关工具... 39

1       概述

1.1   报告题目

linux 内存管理之sys_brk 实现分析：系统调用brk()的流程，涉及到的主要数据结构，代码分析结果，并画出流程图来表示相关函数之间的相互调用关系。

2       系统调用功能概述

brk和sbrk主要的工作是实现虚拟内存到内存的映射。系统调用sbrk用来调整数据段的上限。进程的brk值是一个位于进程堆空间和它的转折点。Linux进程空间中，1--3G是用户空间，4G则是内核的。用户只能访问用户空间，内核也只能访问内核空间，它们受到MMU的严格控制。如果内核要访问用户空间，也只能通过put_user和get_user这两个宏或类似的宏才可以。

内存分配是这样的：每个进程可访问的虚拟内存空间为3G，但在程序编译时，不可能也没必要为程序分配这么大的空间，只分配并不大的数据段空间，程序中动态分配的空间就是从这一块分配的。如果这块空间不够，malloc函数族（realloc，calloc等）就调用sbrk函数将数据段的下界移动，sbrk函数在内核的管理下将虚拟地址空间映射到内存，供malloc函数使用。（参见linux内核情景分析）。

在Linux系统上，程序被载入内存时，内核为用户进程地址空间建立了代码段、数据段和堆栈段，在数据段与堆栈段之间的空闲区域用于动态内存分配。

下图简要描述了进程内存区域的分布：

下图反映了进程地址空间的管理模型：

进程的地址空间对应的描述结构是 “内存描述符结构”,它表示进程的全部地址空间，——包含了和进程地址空间有关的全部信息，其中当然包含进程的内存区域。

数据段中包括了所有静态分配的数据空间，包括全局变量和说明为static的局部变量。这些空间是进程所必须的基本要求，所以内核在建立一个进程的余兴映象时就分配好这些空间，包括虚存地址区间和页面，并建立好二者间的映射。除此之外，堆栈使用的空间也属于基本要求，所以也是在建立进程时就分配好的。所不同的是，堆栈空间安置在虚存空间的顶部，运行时由顶向下延伸；代码段和数据段则在底部，在运行时并不向上伸展。而从数据段的顶部end_data到堆栈段地址的下咽这个中间区域则是一个巨大的空洞，这就是可以在余兴时动态分配的空间。最初，这个动态分配空间是从进程的end_data开始的，这个地址为内核和进程所共知。以后，每次动态分配一块“内存”，这个边界就往上推进一段距离，同时内核和进程都要记下当前的边界在哪里。在进程这一边由malloc()或类似的库函数管理，而在内核中则将当前的边界记录在进程的mm_struct结构中。具体的说，mm_struct结构中有一个成分brk，表示动态分配区当前的底部。当一个进程需要分配内存时，将要求的大小与其当前的动态分配区底部边界相加，所得的就是所要求的新边界，也就是sbrk()调用时的参数brk。当内核能满足要求时，系统调用sbrk()返回0，此后新旧两个边界之间的虚存地址就都可以使用了。当内核发现无法满足要求（例如无力空间已经分配完），或者发现新的边界已经过于逼近设于等部的堆栈时，就拒绝分配而返回－1。

3       数据结构分析

一个进程的虚拟地址空间主要由两个数据结来描述。一个是最高层次的：mm_struct，一个是较高层次的：vm_area_structs。最高层次的mm_struct结构描述了一个进程的整个虚拟地址空间。较高层次的结构vm_area_truct描述了虚拟地址空间的一个区间（简称虚拟区）。它们都定义在include\linux\mm_types.h 文件中。

内核数据结构mm_struct中的成员变量start_code和end_code是进程代码段的起始和终止地址，start_data和 end_data是进程数据段的起始和终止地址，start_stack是进程堆栈段起始地址，start_brk是进程动态内存分配起始地址（堆的起始地址），还有一个 brk（堆的当前最后地址），就是动态内存分配当前的终止地址。

3.1   数据结构

在 Linux 内核中对应进程内存区域的数据结构是：vm_area_struct, 内核将每个内存区域作为一个单独的内存对象管理，相应的操作也都一致。采用面向对象方法使 VMA 结构体可以代表多种类型的内存区域－－比如内存映射文件或进程的用户空间栈等，对这些区域的操作也都不尽相同。

vm_area_strcut 结构比较复杂，vm_area_struct 是描述进程地址空间的基本管理单元， 它是以链表形式链接，不过为了方便查找，内核又以红黑树（以前的内核使用平衡树）的形式组织内存区域，以便降低搜索耗时。并存两种组织形式，并非冗余：链表用于需要遍历全部节点的时候用，而红黑树适用于在地址空间中定位特定内存区域的时候。内核为了内存区域上的各种不同操作都能获得高性能，所以同时使用了这两种数据结构。

3.2   vm_area_struct结构体

在这个结构中，vm_start和vm_end记录了这个进程当前使用的虚拟地址空间。假设一个进程的某段合法的起始虚拟地址为A,大小为2个物理页面，就需要一个vm_area_struct来描述这段虚拟地址区域。一个进程有多个虚拟地址区域，这些vm_area_struct根据虚拟地址被组织成一颗红黑树，这主要是为了加速查找的速度。

结构体原型如下：

/*

 * This struct defines a memory VMM memory area. There is one of these

 * per VM-area/task.  A VM area is any part of the process virtual memory

 * space that has a special rule for the page-fault handlers (ie a shared

 * library, the executable area etc).

 */

struct vm_area_struct {

       struct mm_struct * vm_mm;       /* 指针指向进程的mm_struct结构体 */

       unsigned long vm_start;            /* 虚拟区域的开始地址 */

       unsigned long vm_end;            /* 虚拟区域的终止地址*/

 

       /* 构成线性链表的指针，按虚存区基址从小到大排列*/

       struct vm_area_struct *vm_next, *vm_prev;

 

       pgprot_t vm_page_prot;           /*虚存区域的页面的保护特性,存取权限*/

       unsigned long vm_flags;           /*虚拟区间的标志*/

 

       struct rb_node vm_rb;        ／*指向red_black树*/

 

       /*

        * For areas with an address space and backing store,

        * linkage into the address_space->i_mmap prio tree, or

        * linkage to the list of like vmas hanging off its node, or

        * linkage of vma in the address_space->i_mmap_nonlinear list.

        */

       union { /* 或者是关联于address_space->i_mmap字段，或者是关联于i_mmap_nonlinear字段 */

              struct {

                     struct list_head list;

                     void *parent; /* aligns with prio_tree_node parent */

                     struct vm_area_struct *head;

              } vm_set;

 

              struct raw_prio_tree_node prio_tree_node;

       } shared;

 

       /*

        * A file's MAP_PRIVATE vma can be in both i_mmap tree and anon_vma

        * list, after a COW of one of the file pages.  A MAP_SHARED vma

        * can only be in the i_mmap tree.  An anonymous MAP_PRIVATE, stack

        * or brk vma (with NULL file) can only be in an anon_vma list.

        */

       struct list_head anon_vma_chain; /* Serialized by mmap_sem &

                                     * page_table_lock */

       struct anon_vma *anon_vma;    /* 匿名的VMA对象 */

 

       /* Function pointers to deal with this struct. */

       const struct vm_operations_struct *vm_ops;  /* 相关的操作表 */

 

       /* Information about our backing store: */

       unsigned long vm_pgoff;          /* Offset (within vm_file) in PAGE_SIZE

                                      units, *not* PAGE_CACHE_SIZE 映射的文件vm_file的页偏移量*/ 

       struct file * vm_file;            /* File we map to (can be NULL). 映射的文件指针*/

       void * vm_private_data;             /* 私有数据 */

       unsigned long vm_truncate_count;/* truncate_count or restart_addr */

 

#ifndef CONFIG_MMU

       struct vm_region *vm_region;   /* NOMMU mapping region */

#endif

#ifdef CONFIG_NUMA

       struct mempolicy *vm_policy;    /* NUMA policy for the VMA */

#endif

};

3.3   mm_struct结构体

结构体原型如下：

struct mm_struct {

       struct vm_area_struct * mmap;         /* 指向虚拟区间（VMA）链表  */

       struct rb_root mm_rb;                      ／*指向red_black树*/

       struct vm_area_struct * mmap_cache;     /* 最后使用内存区域 */

#ifdef CONFIG_MMU

       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);

#endif

       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;                              /* 页全局目录 */

       atomic_t mm_users;                  /* 该地址空间用户 */

       atomic_t mm_count;                  /* 主使用记数 */

       int map_count;                          /* 内存区域数目 */

       struct rw_semaphore mmap_sem;  /* 内存区域信号量 */

       spinlock_t page_table_lock;             /* 页表锁 */

 

       struct list_head mmlist;              /*包含全部mm_structs的链表/

 

       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;  /* 代码段开始地址 ，数据段首地址 */

       unsigned long start_brk, brk, start_stack;      /* 堆首地址 堆尾地址 进程栈的首地址*/              

       unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end;  /* 命令行参数的首地址 环境变量首地址 */

 

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

 

       /*

        * Special counters, in some configurations protected by the

        * page_table_lock, in other configurations by being atomic.

        */

       struct mm_rss_stat rss_stat;

 

       struct linux_binfmt *binfmt;

 

       cpumask_t cpu_vm_mask;   /* 懒惰(lazy)TLB交换掩码 */

 

       /* Architecture-specific MM context */

       mm_context_t context;   /* 体系结构特殊数据 */

 

       /* Swap token stuff */

       /*

        * Last value of global fault stamp as seen by this process.

        * In other words, this value gives an indication of how long

        * it has been since this task got the token.

        * Look at mm/thrash.c

        */

       unsigned int faultstamp;

       unsigned int token_priority;

       unsigned int last_interval;

 

       unsigned long flags; /* Must use atomic bitops to access the bits */

 

       struct core_state *core_state; /* core开始完成 core结束完成*/

#ifdef CONFIG_AIO

       spinlock_t            ioctx_lock;  /* AIO I/O链表锁 */

       struct hlist_head  ioctx_list;  /* AIO I/O链表*/

#endif

#ifdef CONFIG_MM_OWNER

       /*

        * "owner" points to a task that is regarded as the canonical

        * user/owner of this mm. All of the following must be true in

        * order for it to be changed:

        *

        * current == mm->owner

        * current->mm != mm

        * new_owner->mm == mm

        * new_owner->alloc_lock is held

        */

       struct task_struct *owner;

#endif

 

#ifdef CONFIG_PROC_FS

       /* store ref to file /proc/<pid>/exe symlink points to */

       struct file *exe_file;

       unsigned long num_exe_file_vmas;

#endif

#ifdef CONFIG_MMU_NOTIFIER

       struct mmu_notifier_mm *mmu_notifier_mm;

#endif

};