linux内存管理之sys_brk实现分析【一】 .

2023-10-24 23:48
文章标签 分析 实现 linux 内存 管理 sys brk

本文主要是介绍linux内存管理之sys_brk实现分析【一】 .，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

linux struct 数据结构 file 代码分析 tree

目录(?)[+]

  1. 概述
    1. 报告题目
  2. 系统调用功能概述
  3. 数据结构分析
    1. 数据结构
    2. vm_area_struct结构体
    3. mm_struct结构体

 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：

 

[cpp] view plain copy print ?
  1. /* 
  2.  
  3.  * This struct defines a memory VMM memory area. There is one of these 
  4.  
  5.  * per VM-area/task.  A VM area is any part of the process virtual memory 
  6.  
  7.  * space that has a special rule for the page-fault handlers (ie a shared 
  8.  
  9.  * library, the executable area etc). 
  10.  
  11.  */  
  12.   
  13. struct vm_area_struct {  
  14.   
  15.        struct mm_struct * vm_mm;       /* 指针指向进程的mm_struct结构体 */  
  16.   
  17.        unsigned long vm_start;            /* 虚拟区域的开始地址 */  
  18.   
  19.        unsigned long vm_end;            /* 虚拟区域的终止地址*/  
  20.   
  21.    
  22.   
  23.        /* 构成线性链表的指针，按虚存区基址从小到大排列*/  
  24.   
  25.        struct vm_area_struct *vm_next, *vm_prev;  
  26.   
  27.    
  28.   
  29.        pgprot_t vm_page_prot;           /*虚存区域的页面的保护特性,存取权限*/  
  30.   
  31.        unsigned long vm_flags;           /*虚拟区间的标志*/  
  32.   
  33.    
  34.   
  35.        struct rb_node vm_rb;        ／*指向red_black树*/  
  36.   
  37.    
  38.   
  39.        /* 
  40.  
  41.         * For areas with an address space and backing store, 
  42.  
  43.         * linkage into the address_space->i_mmap prio tree, or 
  44.  
  45.         * linkage to the list of like vmas hanging off its node, or 
  46.  
  47.         * linkage of vma in the address_space->i_mmap_nonlinear list. 
  48.  
  49.         */  
  50.   
  51.        union { /* 或者是关联于address_space->i_mmap字段，或者是关联于i_mmap_nonlinear字段 */  
  52.   
  53.               struct {  
  54.   
  55.                      struct list_head list;  
  56.   
  57.                      void *parent; /* aligns with prio_tree_node parent */  
  58.   
  59.                      struct vm_area_struct *head;  
  60.   
  61.               } vm_set;  
  62.   
  63.    
  64.   
  65.               struct raw_prio_tree_node prio_tree_node;  
  66.   
  67.        } shared;  
  68.   
  69.    
  70.   
  71.        /* 
  72.  
  73.         * A file's MAP_PRIVATE vma can be in both i_mmap tree and anon_vma 
  74.  
  75.         * list, after a COW of one of the file pages.  A MAP_SHARED vma 
  76.  
  77.         * can only be in the i_mmap tree.  An anonymous MAP_PRIVATE, stack 
  78.  
  79.         * or brk vma (with NULL file) can only be in an anon_vma list. 
  80.  
  81.         */  
  82.   
  83.        struct list_head anon_vma_chain; /* Serialized by mmap_sem & 
  84.  
  85.                                      * page_table_lock */  
  86.   
  87.        struct anon_vma *anon_vma;    /* 匿名的VMA对象 */  
  88.   
  89.    
  90.   
  91.        /* Function pointers to deal with this struct. */  
  92.   
  93.        const struct vm_operations_struct *vm_ops;  /* 相关的操作表 */  
  94.   
  95.    
  96.   
  97.        /* Information about our backing store: */  
  98.   
  99.        unsigned long vm_pgoff;          /* Offset (within vm_file) in PAGE_SIZE 
  100.  
  101.                                       units, *not* PAGE_CACHE_SIZE 映射的文件vm_file的页偏移量*/   
  102.   
  103.        struct file * vm_file;            /* File we map to (can be NULL). 映射的文件指针*/  
  104.   
  105.        void * vm_private_data;             /* 私有数据 */  
  106.   
  107.        unsigned long vm_truncate_count;/* truncate_count or restart_addr */  
  108.   
  109.    
  110.   
  111. #ifndef CONFIG_MMU   
  112.   
  113.        struct vm_region *vm_region;   /* NOMMU mapping region */  
  114.   
  115. #endif   
  116.   
  117. #ifdef CONFIG_NUMA   
  118.   
  119.        struct mempolicy *vm_policy;    /* NUMA policy for the VMA */  
  120.   
  121. #endif   
  122.   
  123. };  
/*
* 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：

 

[cpp] view plain copy print ?
  1. struct mm_struct {  
  2.   
  3.        struct vm_area_struct * mmap;         /* 指向虚拟区间（VMA）链表  */  
  4.   
  5.        struct rb_root mm_rb;                      ／*指向red_black树*/  
  6.   
  7.        struct vm_area_struct * mmap_cache;     /* 最后使用内存区域 */  
  8.   
  9. #ifdef CONFIG_MMU   
  10.   
  11.        unsigned long (*get_unmapped_area) (struct file *filp,  
  12.   
  13.                             unsigned long addr, unsigned long len,  
  14.   
  15.                             unsigned long pgoff, unsigned long flags);  
  16.   
  17.        void (*unmap_area) (struct mm_struct *mm, unsigned long addr);  
  18.   
  19. #endif   
  20.   
  21.        unsigned long mmap_base;             /* base of mmap area */  
  22.   
  23.        unsigned long task_size;          /* size of task vm space */  
  24.   
  25.        unsigned long cached_hole_size;   /* if non-zero, the largest hole below free_area_cache */  
  26.   
  27.        unsigned long free_area_cache;            /* first hole of size cached_hole_size or larger */  
  28.   
  29.        pgd_t * pgd;                              /* 页全局目录 */  
  30.   
  31.        atomic_t mm_users;                  /* 该地址空间用户 */  
  32.   
  33.        atomic_t mm_count;                  /* 主使用记数 */  
  34.   
  35.        int map_count;                          /* 内存区域数目 */  
  36.   
  37.        struct rw_semaphore mmap_sem;  /* 内存区域信号量 */  
  38.   
  39.        spinlock_t page_table_lock;             /* 页表锁 */  
  40.   
  41.    
  42.   
  43.        struct list_head mmlist;              /*包含全部mm_structs的链表/ 
  44.  
  45.   
  46.  
  47.        unsigned long hiwater_rss;       /* High-watermark of RSS usage */  
  48.   
  49.        unsigned long hiwater_vm;       /* High-water virtual memory usage */  
  50.   
  51.    
  52.   
  53.        unsigned long total_vm, locked_vm, shared_vm, exec_vm;  
  54.   
  55.        unsigned long stack_vm, reserved_vm, def_flags, nr_ptes;  
  56.   
  57.        unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data;  /* 代码段开始地址 ，数据段首地址 */  
  58.   
  59.        unsigned long start_brk, brk, start_stack;      /* 堆首地址 堆尾地址 进程栈的首地址*/                
  60.   
  61.        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 */  
  62.   
  63.    
  64.   
  65.        unsigned long saved_auxv[AT_VECTOR_SIZE]; /* for /proc/PID/auxv */  
  66.   
  67.    
  68.   
  69.        /* 
  70.  
  71.         * Special counters, in some configurations protected by the 
  72.  
  73.         * page_table_lock, in other configurations by being atomic. 
  74.  
  75.         */  
  76.   
  77.        struct mm_rss_stat rss_stat;  
  78.   
  79.    
  80.   
  81.        struct linux_binfmt *binfmt;  
  82.   
  83.    
  84.   
  85.        cpumask_t cpu_vm_mask;   /* 懒惰(lazy)TLB交换掩码 */  
  86.   
  87.    
  88.   
  89.        /* Architecture-specific MM context */  
  90.   
  91.        mm_context_t context;   /* 体系结构特殊数据 */  
  92.   
  93.    
  94.   
  95.        /* Swap token stuff */  
  96.   
  97.        /* 
  98.  
  99.         * Last value of global fault stamp as seen by this process. 
  100.  
  101.         * In other words, this value gives an indication of how long 
  102.  
  103.         * it has been since this task got the token. 
  104.  
  105.         * Look at mm/thrash.c 
  106.  
  107.         */  
  108.   
  109.        unsigned int faultstamp;  
  110.   
  111.        unsigned int token_priority;  
  112.   
  113.        unsigned int last_interval;  
  114.   
  115.    
  116.   
  117.        unsigned long flags; /* Must use atomic bitops to access the bits */  
  118.   
  119.    
  120.   
  121.        struct core_state *core_state; /* core开始完成 core结束完成*/  
  122.   
  123. #ifdef CONFIG_AIO   
  124.   
  125.        spinlock_t            ioctx_lock;  /* AIO I/O链表锁 */  
  126.   
  127.        struct hlist_head  ioctx_list;  /* AIO I/O链表*/  
  128.   
  129. #endif   
  130.   
  131. #ifdef CONFIG_MM_OWNER   
  132.   
  133.        /* 
  134.  
  135.         * "owner" points to a task that is regarded as the canonical 
  136.  
  137.         * user/owner of this mm. All of the following must be true in 
  138.  
  139.         * order for it to be changed: 
  140.  
  141.         * 
  142.  
  143.         * current == mm->owner 
  144.  
  145.         * current->mm != mm 
  146.  
  147.         * new_owner->mm == mm 
  148.  
  149.         * new_owner->alloc_lock is held 
  150.  
  151.         */  
  152.   
  153.        struct task_struct *owner;  
  154.   
  155. #endif   
  156.   
  157.    
  158.   
  159. #ifdef CONFIG_PROC_FS   
  160.   
  161.        /* store ref to file /proc/<pid>/exe symlink points to */  
  162.   
  163.        struct file *exe_file;  
  164.   
  165.        unsigned long num_exe_file_vmas;  
  166.   
  167. #endif   
  168.   
  169. #ifdef CONFIG_MMU_NOTIFIER   
  170.   
  171.        struct mmu_notifier_mm *mmu_notifier_mm;  
  172.   
  173. #endif   
  174.   
  175. };  

这篇关于linux内存管理之sys_brk实现分析【一】 .的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/278578。

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Redis连接失败：客户端IP不在白名单中的问题分析与解决方案

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java如何分布式锁实现和选型

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SpringBoot基于MyBatis-Plus实现Lambda Query查询的示例代码

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python使用watchdog实现文件资源监控

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el-select下拉选择缓存的实现

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Linux磁盘分区、格式化和挂载方式

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《Linux磁盘分区、格式化和挂载方式》本文详细介绍了Linux系统中磁盘分区、格式化和挂载的基本操作步骤和命令,包括MBR和GPT分区表的区别、fdisk和gdisk命令的使用、常见的文件系统格式以... 目录一、磁盘分区表分类二、fdisk命令创建分区1、交互式的命令2、分区主分区3、创建扩展分区，然后
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Linux中chmod权限设置方式

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《Linux中chmod权限设置方式》本文介绍了Linux系统中文件和目录权限的设置方法,包括chmod、chown和chgrp命令的使用,以及权限模式和符号模式的详细说明,通过这些命令,用户可以灵活... 目录设置基本权限命令：chmod1、权限介绍2、chmod命令常见用法和示例3、文件权限详解4、ch
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Linux内核之内核裁剪详解

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