Linux的存储管理

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Blue Ocean

虚存管理

Linux里使用了N个概念来描述虚存系统：

地址空间（struct mm_struct）

虚存区（struct vm_area_struct）

页面（struct page）

体系无关MMU管理

struct mm_struct

核心为每个进程的地址空间维护一个数据结构—struct mm_struct(linux/sched.h)，每个进程的task_struct(linux/sched.h)结构中都有一个指向它的指针。

该结构的成员如下：

成员名	用途
count	mm_struct结构的引用计数。为了在Linux中实现线程，系统调用clone派生一个线程，它具备进程所具有的控制结构，但和调用进程共享内存，即mm_struct结构，派生后系统会累加mm_struct中的引用计数。
pgd	页目录基址
context	虚存上下文。在有的体系结构中，虚存地址要加上一个上下文标识才能进行地址转换，如MIPS系列，这个域就是进程的上下文标识。
start_code, end_code, start_data, end_data	进程的代码和数据的起始地址。
start_brk, brk, start_stack, start_mmap	进程堆的起始地址，当前地址，进程用户栈的起始地址，进程映射空间的起始地址。
rss, total_vm, locked_vm	进程贮留在物理内存中的页面，进程所需的总的页面数，被锁定在物理内存中的页面数。
def_flags	进程某人的页面标志。系统在设定页面标志时，首先OR上这个标志。如在调用mlockall(MCL_CURRENT)时，系统就会将def_flags设置为VM_LOCKED，这样以后在调入的页面也被标记为VM_LOCKED的，就完成相应的页面锁定工作。
mmap	struct vm_area_struct队列，按基址从小到大排列。
mmap_avl	struct vm_area_struct AVL树。核心经常会完成从虚址到相应的struct vm_area_struct结构的转换操作，如果总是线性地查找mmap队列就会非常地耗时。利用AVL树可以将查找的代价控制在O(logN)的水平上。
mmap_sem	系统修改进程的mmap队列和mmap_avl树时用于互斥的信号量。

struct vm_area_struct(linux/mm.h)

进程的地址空间是由一系列的虚存区构成的。虚存区的结构成员如下:

成员名	用途
vm_mm	指向所属的mm_struct结构的指针。
vm_start，vm_end	虚存区的起始地址。
vm_page_prot	虚存区的保护权限。
vm_flags	虚存区的标志。
vm_avl_height，vm_avl_left，vm_avl_right	这3个成员在一起构成AVL树，其中vm_avl_height是该节点距跟节点的高度，vm_avl_left和vm_avl_right分别时该节点的左右两个子树。
vm_next	构成虚存区的线性链，按基址从小到大排列。
vm_next_share，vm_prev_share	当虚存区是文件映射空间的一部分时，这两个域将所有属于同一个文件（即同一个inode）的虚存区连接在一起。当虚存区时SYS V共享内存的一部分时，这两个域将所有属于同一片共享内存的虚存区连接在一起。
vm_ops	虚存区的函数开关表。这个表里给出了可以在对虚存区中的页面进行的操作（由vm_operations_struct(linux/mm.h)结构署名），包括open，close，unmap，protect，sync，advise，nopage，wppage，swapout，swapin。Linux中较为常用的几个vm_operations_struct结构是shm_vm_ops(ipc/shm.c)，file_shared_mmap(mm/filemap.c)，file_private_mmap(mm/filemap.c)，这3个变量分别对应SYS V共享内存的虚存区函数开关表，文件共享方式映射的虚存区函数开关表，文件私有式映射的虚存区函数开关表。
vm_offset	虚存区在文件中的偏移。如果时SYS V的共享内存，则是其在共享内存段中的偏移（虽然shmat完成了整个共享内存段的映射，但进程在以后的操作中可能将映射这个共享内存段的虚存区打裂，如在相应的虚存区上在映射文件。所以SYS V的共享内存区也需要这个偏移）。
vm_inode	当虚存区为文件映射时，是该文件在内存中的inode。如果时SYS V的共享内存则为空。其他情况也为空。注意，系统时靠vm_ops来区分是否为SYS V的共享内存区。
vm_pte	当虚存区为SYS V的共享内存时，这个域存放虚存区所在的共享内存段的ID（不是简单的存放ID，具体格式见程序ipc/shm.c）。

struct page(linux/mm.h)

struct page时物理页面的对应数据结构（与mem_map_t相同）。其结构成员如下：

成员名	用途
next，prev	当页面空闲时，这两个指针是空闲页面链表的前后指针。当页面时某个inode在内存中的贮留页面时，next和prev构成该inode在内存中页面的双向链表。
inode	该页面对应的inode。
offset	该页面在由inode指定的文件中的偏移。
next_hash，prev_hash	这两个域构成贮留在内存中的页面数据的哈希链。
count	页面的引用计数。
flags	页面的标志，下面详细介绍。
dirty	???
age	页面的年龄，age == 0时年龄最大。这个值反应了页面最近的使用情况，最近不使用的页面年龄较大，利用这个值控制页面的换入换出。
wait	等待在这样页面上的任务的单向链表。
buffers	当这个页面用做磁盘缓冲时，这个域是磁盘缓冲区双向循环链表。
swap_unlock_entry	页面换出时要对相应换出设备上的页面上锁，有的换出有时是异步的，此时需要记住换出设备和其上的页面偏移以便解锁，这个域就是暂存这个数值的。
map_nr	该结构在mem_map数组中的索引，也就是页面在物理内存中的物理页面号。

mem_map

Linux在管理物理页面时设置若干数据结构，首先时mem_map数组。这个数组的每一项都是strut page结构，对应着物理内存中的一个页面，记录它们的状态和有关其内容的元信息。系统在初始化时根据物理内存的大小建立这个数组(这段代码在mm/page_alloc.c中的free_area_init中)。

空闲区

其次，为了维护连续空闲内存，系统还维护一组称为空闲区（free_area）结构。每个空闲区对应一个固定的内存大小（2^N×PAGE_SIZE，N=0，1，…，NR_MEM_LISTS-1），该结构有一个双向循环链表将指定大小的空闲区连接起来。此外，它还有一个位图，每一位对应连续的两个页面。当这两个页面都时空闲时，也就是有两次释放动作发生，这个二进制位经过两次异或又恢复为0，此时说明这两个都是空闲，应该从2^N空闲区删除，并加入到2^(N+1)空闲区中。所以，Linux空闲页面的管理实际上以页面为单位的伙伴系统（Buddy System）。

page cache

虚存系统将全部内存或内存的一部分最为后备存储介质（文件，交互区等）的cache。Linux中将文件贮留在内存中的部分通过一个哈希链表管理起来，这个哈希链表就是page cache。系统将页面的inode和offset最为键值，并通过find_page(mm/filemap.h)寻找相应的页面。

除了page cache外，系统中另外一个cache部件是磁盘缓冲区，这部分在文件系统中介绍，此处忽略。

体系无关MMU管理

发布人:netbull 来自:利索脚

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