linux內(nèi)核學習筆記-struct vm_area_struct

jaffaz

                    Linux內(nèi)核中，關于虛存管理的最基本的管理單元應該是struct vm_area_struct了，它描述的是一段連續(xù)的、具有相同訪問屬性的虛存空間，該虛存空間的大小為物理內(nèi)存頁面的整數(shù)倍。
    下面是struct vm_area_struct結構體的定義：
/*
* 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;       /* VM area parameters */
        unsigned long vm_start;
        unsigned long vm_end;
        /* linked list of VM areas per task, sorted by address */
        struct vm_area_struct *vm_next;
        pgprot_t vm_page_prot;
        unsigned long vm_flags;
        /* AVL tree of VM areas per task, sorted by address */
        short vm_avl_height;
        struct vm_area_struct * vm_avl_left;
        struct vm_area_struct * vm_avl_right;
        /* For areas with an address space and backing store,
         * one of the address_space->i_mmap{,shared} lists,
         * for shm areas, the list of attaches, otherwise unused.
         */
        struct vm_area_struct *vm_next_share;
        struct vm_area_struct **vm_pprev_share;
        struct vm_operations_struct * vm_ops;
        unsigned long vm_pgoff;         /* offset in PAGE_SIZE units, *not* PAGE_CACHE_SIZE */
        struct file * vm_file;
        unsigned long vm_raend;
        void * vm_private_data;         /* was vm_pte (shared mem) */
};
    vm_area_struct結構所描述的虛存空間以vm_start、vm_end成員表示，它們分別保存了該虛存空間的首地址和末地址后第一個字節(jié)的地址，以字節(jié)為單位，所以虛存空間范圍可以用[vm_start, vm_end)表示。
    通常，進程所使用到的虛存空間不連續(xù)，且各部分虛存空間的訪問屬性也可能不同。所以一個進程的虛存空間需要多個vm_area_struct結構來描述。在vm_area_struct結構的數(shù)目較少的時候，各個vm_area_struct按照升序排序，以單鏈表的形式組織數(shù)據(jù)（通過vm_next指針指向下一個vm_area_struct結構）。但是當vm_area_struct結構的數(shù)據(jù)較多的時候，仍然采用鏈表組織的化，勢必會影響到它的搜索速度。針對這個問題，vm_area_struct還添加了vm_avl_hight（樹高）、vm_avl_left（左子節(jié)點）、vm_avl_right（右子節(jié)點）三個成員來實現(xiàn)AVL樹，以提高vm_area_struct的搜索速度。
    假如該vm_area_struct描述的是一個文件映射的虛存空間，成員vm_file便指向被映射的文件的file結構，vm_pgoff是該虛存空間起始地址在vm_file文件里面的文件偏移，單位為物理頁面。
    一個程序可以選擇MAP_SHARED或MAP_PRIVATE共享模式將一個文件的某部分數(shù)據(jù)映射到自己的虛存空間里面。這兩種映射方式的區(qū)別在于：MAP_SHARED映射后在內(nèi)存中對該虛存空間的數(shù)據(jù)進行修改會影響到其他以同樣方式映射該部分數(shù)據(jù)的進程，并且該修改還會被寫回文件里面去，也就是這些進程實際上是在共用這些數(shù)據(jù)。而MAP_PRIVATE映射后對該虛存空間的數(shù)據(jù)進行修改不會影響到其他進程，也不會被寫入文件中。
    來自不同進程，所有映射同一個文件的vm_area_struct結構都會根據(jù)其共享模式分別組織成兩個鏈表。鏈表的鏈頭分別是：vm_file->f_dentry->d_inode->i_mapping->i_mmap_shared, vm_file->f_dentry->d_inode->i_mapping->i_mmap。而vm_area_struct結構中的vm_next_share指向鏈表中的下一個節(jié)點；vm_pprev_share是一個指針的指針，它的值是鏈表中上一個節(jié)點（頭節(jié)點）結構的vm_next_share（i_mmap_shared或i_mmap）的地址。
    進程建立vm_area_struct結構后，只是說明進程可以訪問這個虛存空間，但有可能還沒有分配相應的物理頁面并建立好頁面映射。在這種情況下，若是進程執(zhí)行中有指令需要訪問該虛存空間中的內(nèi)存，便會產(chǎn)生一次缺頁異常。這時候，就需要通過vm_area_struct結構里面的vm_ops->nopage所指向的函數(shù)來將產(chǎn)生缺頁異常的地址對應的文件數(shù)據(jù)讀取出來。
    vm_flags主要保存了進程對該虛存空間的訪問權限，然后還有一些其他的屬性。vm_page_prot是新映射的物理頁面的頁表項pgprot的默認值。


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