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Linux内存管理:反向映射RMAP

2026-03-15 14:03:49

Linux内存管理:反向映射RMAP

所谓反向映射是相对于从虚拟地址到物理地址的映射，反向映射是从物理页面到虚拟地址空间VMA的反向映射。

RMAP能否实现的基础是通过struct anon_vma、struct anon_vma_chain和sturct vm_area_struct建立了联系，通过物理页面反向查找到VMA。

用户在使用虚拟内存过程中，PTE页表项中保留着虚拟内存页面映射到物理内存页面的记录。

一个物理页面可以同时被多个进程的虚拟地址内存映射，但一个虚拟页面同时只能有一个物理页面与之映射。

不同虚拟页面同时映射到同一物理页面是因为子进程克隆父进程VMA，和KSM机制的存在。

如果页面要被回收，就必须要找出哪些进程在使用这个页面，然后断开这些虚拟地址到物理页面的映射。

匿名页面实际的断开映射操作在rmap_walk_anon]进行的，可以看出从struct page、到struct anon_vma、到struct anon_vma_chain、到struct vm_area_struct的关系。

一、父进程分配匿名页面

父进程为自己的进程地址空间VMA分配物理内存时，通常会产生匿名页面。

do_anonymous_page()会分配匿名页面；do_wp_page()发生写时复制COW时也会产生一个新的匿名页面。

staticintdo_anonymous_page(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma,        unsigned long address, pte_t *page_table, pmd_t *pmd,        unsigned int flags){...    /* Allocate our own private page. */    if (unlikely(anon_vma_prepare(vma)))------------------------------为进程地址空间准备struct anon_vma数据结构和struct anon_vma_chain链表。        goto oom;    page = alloc_zeroed_user_highpage_movable(vma, address);----------从HIGHMEM区域分配一个zeroed页面    if (!page)        goto oom;...    inc_mm_counter_fast(mm, MM_ANONPAGES);    page_add_new_anon_rmap(page, vma, address);-----------------------    mem_cgroup_commit_charge(page, memcg, false);    lru_cache_add_active_or_unevictable(page, vma);...}

RMAP反向映射系统中有两个重要的数据结构：一个是struct anon_vma，简称AV；一个是struct anon_vma_chain，简称AVC。

struct anon_vma {    struct anon_vma *root;        /* Root of this anon_vma tree */----------------指向anon_vma数据机构中的根节点    struct rw_semaphore rwsem;    /* W: modification, R: walking the list */------保护anon_vma中链表的读写信号量    /*     * The refcount is taken on an anon_vma when there is no     * guarantee that the vma of page tables will exist for     * the duration of the operation. A caller that takes     * the reference is responsible for clearing up the     * anon_vma if they are the last user on release     */    atomic_t refcount;------------------------------------------------------------对anon_vma的引用计数    /*     * Count of child anon_vmas and VMAs which points to this anon_vma.     *     * This counter is used for making decision about reusing anon_vma     * instead of forking new one. See comments in function anon_vma_clone.     */    unsigned degree;    struct anon_vma *parent;    /* Parent of this anon_vma */--------------------指向父anon_vma数据结构    /*     * NOTE: the LSB of the rb_root.rb_node is set by     * mm_take_all_locks() _after_ taking the above lock. So the     * rb_root must only be read/written after taking the above lock     * to be sure to see a valid next pointer. The LSB bit itself     * is serialized by a system wide lock only visible to     * mm_take_all_locks() (mm_all_locks_mutex).     */    struct rb_root rb_root;    /* Interval tree of private "related" vmas */-----红黑树根节点}

struct anon_vma_chain数据结构是链接父子进程的枢纽：

struct anon_vma_chain {    struct vm_area_struct *vma;-----------------------------------------------指向VMA    struct anon_vma *anon_vma;------------------------------------------------指向anon_vma数据结构，可以指向父进程或子进程的anon_vma数据结构。    struct list_head same_vma;   /* locked by mmap_sem & page_table_lock */---链表节点，通常把anon_vma_chain添加到vma->anon_vma_chain链表中。    struct rb_node rb;            /* locked by anon_vma->rwsem */-------------红黑树节点，通常把anon_vma_chain添加到anon_vma->rb_root的红黑树中。    unsigned long rb_subtree_last;#ifdef CONFIG_DEBUG_VM_RB    unsigned long cached_vma_start, cached_vma_last;#endif}

下面分析如何建立AV、AVC、VMA之间的关系：

intanon_vma_prepare(struct vm_area_struct *vma){    struct anon_vma *anon_vma = vma->anon_vma;--------------vma->anon_vma指向struct anon_vma数据结构。    struct anon_vma_chain *avc;    might_sleep();    if (unlikely(!anon_vma)) {        struct mm_struct *mm = vma->vm_mm;        struct anon_vma *allocated;        avc = anon_vma_chain_alloc(GFP_KERNEL);------------分配一个struct anon_vma_chain结构。        if (!avc)            goto out_enomem;        anon_vma = find_mergeable_anon_vma(vma);-----------是否可以和前后vma合并        allocated = NULL;        if (!anon_vma) {            anon_vma = anon_vma_alloc();-------------------如果无法合并，则重新分配一个结构体            if (unlikely(!anon_vma))                goto out_enomem_free_avc;            allocated = anon_vma;        }        anon_vma_lock_write(anon_vma);        /* page_table_lock to protect against threads */        spin_lock(&mm->page_table_lock);        if (likely(!vma->anon_vma)) {            vma->anon_vma = anon_vma;-------------------------建立struct vm_area_struct和struct anon_vma关联            anon_vma_chain_link(vma, avc, anon_vma);----------建立struct anon_vma_chain和其他结构体的关系。            /* vma reference or self-parent link for new root */            anon_vma->degree++;            allocated = NULL;            avc = NULL;        }        spin_unlock(&mm->page_table_lock);        anon_vma_unlock_write(anon_vma);        if (unlikely(allocated))            put_anon_vma(allocated);        if (unlikely(avc))            anon_vma_chain_free(avc);    }    return 0; out_enomem_free_avc:    anon_vma_chain_free(avc); out_enomem:    return -ENOMEM;}

至此已经建立struct vm_area_struct、struct anon_vma、struct anon_vma_chain三者之间的链接，并插入相应链表、红黑树中。

从AVC可以轻松找到VMA和AV；AV可以通过红黑树找到AVC，然后发现所有红黑树中的AV；VMA可以直接找到AV，也可以通过AVC链表找到AVC。

staticvoidanon_vma_chain_link(struct vm_area_struct *vma,                struct anon_vma_chain *avc,                struct anon_vma *anon_vma){    avc->vma = vma;--------------------------------------------建立struct anon_vma_chain和struct vm_area_struct关联    avc->anon_vma = anon_vma;----------------------------------建立struct anon_vma_chain和struct anon_vma关联    list_add(&avc->same_vma, &vma->anon_vma_chain);------------将AVC添加到struct vm_area_struct->anon_vma_chain链表中。    anon_vma_interval_tree_insert(avc, &anon_vma->rb_root);----将AVC添加到struct anon_vma->rb_root红黑树中。}

调用alloc_zeroed_user_highpage_movable分配物理内存之后，调用page_add_new_anon_rmap建立PTE映射关系。

voidpage_add_new_anon_rmap(struct page *page,    struct vm_area_struct *vma, unsigned long address){    VM_BUG_ON_VMA(address < vma->vm_start || address >= vma->vm_end, vma);    SetPageSwapBacked(page);----------------------------------------------------------设置PG_SwapBacked表示这个页面可以swap到磁盘。    atomic_set(&page->_mapcount, 0); /* increment count (starts at -1) */-------------设置_mapcount引用计数为0    if (PageTransHuge(page))        __inc_zone_page_state(page, NR_ANON_TRANSPARENT_HUGEPAGES);    __mod_zone_page_state(page_zone(page), NR_ANON_PAGES,-----------------------------增加页面所在zone的匿名页面计数            hpage_nr_pages(page));    __page_set_anon_rmap(page, vma, address, 1);--------------------------------------设置这个页面位匿名映射}static void __page_set_anon_rmap(struct page *page,    struct vm_area_struct *vma, unsigned long address, int exclusive){    struct anon_vma *anon_vma = vma->anon_vma;    BUG_ON(!anon_vma);    if (PageAnon(page))---------------------------------------------------------------判断当前页面是否是匿名页面PAGE_MAPPING_ANON        return;    /*     * If the page isn't exclusively mapped into this vma,     * we must use the _oldest_ possible anon_vma for the     * page mapping!     */    if (!exclusive)        anon_vma = anon_vma->root;    anon_vma = (void *) anon_vma + PAGE_MAPPING_ANON;    page->mapping = (struct address_space *) anon_vma;------------------------------mapping指定页面所在的地址空间，这里指向匿名页面的地址空间数据结构struct anon_vma。    page->index = linear_page_index(vma, address);}

结合上图，总结如下：

父进程每个VMA都有一个anon_vma数据结构，vma->anon_vma指向。
和VMA相关的物理页面page->mapping都指向anon_vma。
AVC数据结构anon_vma_chain->vma指向VMA，anon_vma_chain->anon_vma指向AV。
AVC添加到VMA->anon_vma_chain链表中。
AVC添加到AV->anon_vma红黑树中。

二、父进程创建子进程

父进程通过fork系统调用创建子进程时，子进程会复制父进程的进程地址空间VMA数据结构作为自己的进程地址空间，并且会复制父进程的PTE页表项内容到子进程的页表中，实现父子进程共享页表。

多个不同子进程中的虚拟页面会同时映射到同一个物理页面，另外多个不相干进程虚拟页面也可以通过KSM机制映射到同一个物理页面。

fork()系统调用实现在kernel/fork.c中，在dup_mmap()中复制父进程的地址空间和父进程的PTE页表项：

static int dup_mmap(struct mm_struct *mm, struct mm_struct *oldmm){    struct vm_area_struct *mpnt, *tmp, *prev, **pprev;    struct rb_node **rb_link, *rb_parent;    int retval;    unsigned long charge;    uprobe_start_dup_mmap();    down_write(&oldmm->mmap_sem);    flush_cache_dup_mm(oldmm);    uprobe_dup_mmap(oldmm, mm);    /*     * Not linked in yet - no deadlock potential:     */    down_write_nested(&mm->mmap_sem, SINGLE_DEPTH_NESTING);    mm->total_vm = oldmm->total_vm;    mm->shared_vm = oldmm->shared_vm;    mm->exec_vm = oldmm->exec_vm;    mm->stack_vm = oldmm->stack_vm;    rb_link = &mm->mm_rb.rb_node;    rb_parent = NULL;    pprev = &mm->mmap;    retval = ksm_fork(mm, oldmm);    if (retval)        goto out;    retval = khugepaged_fork(mm, oldmm);    if (retval)        goto out;    prev = NULL;    for (mpnt = oldmm->mmap; mpnt; mpnt = mpnt->vm_next) {-------------------for循环遍历父进程的进程地址空间VMA。        struct file *file;        if (mpnt->vm_flags & VM_DONTCOPY) {            vm_stat_account(mm, mpnt->vm_flags, mpnt->vm_file,                            -vma_pages(mpnt));            continue;        }        charge = 0;        if (mpnt->vm_flags & VM_ACCOUNT) {            unsigned long len = vma_pages(mpnt);            if (security_vm_enough_memory_mm(oldmm, len)) /* sic */                goto fail_nomem;            charge = len;        }        tmp = kmem_cache_alloc(vm_area_cachep, GFP_KERNEL);        if (!tmp)            goto fail_nomem;        *tmp = *mpnt;--------------------------------------------------------复制父进程地址空间VMA到刚创建的子进程tmp中。        INIT_LIST_HEAD(&tmp->anon_vma_chain);        retval = vma_dup_policy(mpnt, tmp);        if (retval)            goto fail_nomem_policy;        tmp->vm_mm = mm;        if (anon_vma_fork(tmp, mpnt))----------------------------------------为子进程创建相应的anon_vma数据结构。            goto fail_nomem_anon_vma_fork;        tmp->vm_flags &= ~VM_LOCKED;        tmp->vm_next = tmp->vm_prev = NULL;        file = tmp->vm_file;...        __vma_link_rb(mm, tmp, rb_link, rb_parent);--------------------------把VMA添加到子进程红黑树中。        rb_link = &tmp->vm_rb.rb_right;        rb_parent = &tmp->vm_rb;        mm->map_count++;        retval = copy_page_range(mm, oldmm, mpnt);---------------------------复制父进程的PTE页表项到子进程页表中。        if (tmp->vm_ops && tmp->vm_ops->open)            tmp->vm_ops->open(tmp);        if (retval)            goto out;    }...}

三、子进程发生COW

如果子进程的VMA发生COW，那么会使用子进程VMA创建的anon_vma数据结构，即page->mmaping指针指向子进程VMA对应的anon_vma数据结构。

在do_wp_page()函数中处理COW场景情况：子进程和父进程共享的匿名页面，子进程的VMA发生COW。

->发生缺页中断    ->handle_pte_fault        ->do_wp_page            ->分配一个新的匿名页面                ->__page_set_anon_rmap 使用子进程的anon_vma来设置page->mapping

四、RMAP应用

内核中通过struct page找到所有映射到这个页面的VMA典型场景有：

kswapd内核线程回收页面需要断开所有映射了该匿名页面的用户PTE页表项。
页面迁移时，需要断开所有映射到匿名页面的用户PTE页表项。

try_to_unmap()是反向映射的核心函数，内核中其他模块会调用此函数来断开一个页面的所有映射：

/** * try_to_unmap - try to remove all page table mappings to a page * @page: the page to get unmapped * @flags: action and flags * * Tries to remove all the page table entries which are mapping this * page, used in the pageout path.  Caller must hold the page lock. * Return values are: * * SWAP_SUCCESS    - we succeeded in removing all mappings------------成功解除了所有映射的PTE。 * SWAP_AGAIN    - we missed a mapping, try again later---------------可能错过了一个映射的PTE，需要重来一次。 * SWAP_FAIL    - the page is unswappable-----------------------------失败 * SWAP_MLOCK    - page is mlocked.-----------------------------------页面被锁住了 */inttry_to_unmap(struct page *page, enum ttu_flags flags){    int ret;    struct rmap_walk_control rwc = {        .rmap_one = try_to_unmap_one,--------------------------------具体断开某个VMA上映射的pte        .arg = (void *)flags,        .done = page_not_mapped,-------------------------------------判断一个页面是否断开成功的条件        .anon_lock = page_lock_anon_vma_read,------------------------锁    };    VM_BUG_ON_PAGE(!PageHuge(page) && PageTransHuge(page), page);    /*     * During exec, a temporary VMA is setup and later moved.     * The VMA is moved under the anon_vma lock but not the     * page tables leading to a race where migration cannot     * find the migration ptes. Rather than increasing the     * locking requirements of exec(), migration skips     * temporary VMAs until after exec() completes.     */    if ((flags & TTU_MIGRATION) && !PageKsm(page) && PageAnon(page))        rwc.invalid_vma = invalid_migration_vma;    ret = rmap_walk(page, &rwc);    if (ret != SWAP_MLOCK && !page_mapped(page))        ret = SWAP_SUCCESS;    return ret;}

内核中有三种页面需要unmap操作，即KSM页面、匿名页面、文件映射页面：

intrmap_walk(struct page *page, struct rmap_walk_control *rwc){    if (unlikely(PageKsm(page)))        return rmap_walk_ksm(page, rwc);    else if (PageAnon(page))        return rmap_walk_anon(page, rwc);    else        return rmap_walk_file(page, rwc);}

下面以匿名页面的unmap为例：

staticintrmap_walk_anon(struct page *page, struct rmap_walk_control *rwc){    struct anon_vma *anon_vma;    pgoff_t pgoff;    struct anon_vma_chain *avc;    int ret = SWAP_AGAIN;    anon_vma = rmap_walk_anon_lock(page, rwc);-----------------------------------获取页面page->mapping指向的anon_vma数据结构，并申请一个读者锁。    if (!anon_vma)        return ret;    pgoff = page_to_pgoff(page);    anon_vma_interval_tree_foreach(avc, &anon_vma->rb_root, pgoff, pgoff) {------遍历anon_vma->rb_root红黑树中的AVC，从AVC得到相应的VMA。        struct vm_area_struct *vma = avc->vma;        unsigned long address = vma_address(page, vma);        if (rwc->invalid_vma && rwc->invalid_vma(vma, rwc->arg))            continue;        ret = rwc->rmap_one(page, vma, address, rwc->arg);-----------------------实际的断开用户PTE页表项操作。        if (ret != SWAP_AGAIN)            break;        if (rwc->done && rwc->done(page))            break;    }    anon_vma_unlock_read(anon_vma);    return ret;}