实例介绍
【实例简介】了解 Linux 虚拟内存管理
Understanding the Linux Virtual Memory Manage
【实例截图】
【核心代码】
Contents
1 Introduction 9
1.1 Thesis Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 Code Management 11
2.1 Managing the Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Getting Started . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.3 Submitting Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3 Describing Physical Memory 20
3.1 Nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Zones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3 Pages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4 Page Table Management 30
4.1 Describing the Page Directory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.2 Describing a Page Table Entry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.3 Using Page Table Entries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.4 Translating and Setting Page Table Entries . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.5 Allocating and Freeing Page Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.6 Initialising Kernel Page Tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5 Boot Memory Allocator 39
5.1 Representing the Boot Map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.2 Initialising the Boot Memory Allocator . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5.3 Allocating Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.4 Freeing Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.5 Retiring the Boot Memory Allocator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6 Physical Page Allocation 48
6.1 Allocator API . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.2 Managing Free Blocks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
6.3 Allocating Pages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.4 Free Pages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6.5 GFP Flags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.6 Avoiding Fragmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2CONTENTS
3
7 Non-Contiguous Memory Allocation 58
7.1 Kernel Address Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
7.2 Describing Virtual Memory Areas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.3 Allocating A Non-Contiguous Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7.4 Freeing A Non-Contiguous Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
8 Slab Allocator 63
8.1 Caches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
8.2 Slabs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
8.3 Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
8.4 Sizes Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
8.5 Per-CPU Object Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
8.6 Slab Allocator Initialisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
8.7 Interfacing with the Buddy Allocator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
9 Process Address Space 89
9.1 Managing the Address Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
9.2 Process Address Space Descriptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.3 Memory Regions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
9.4 Exception Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
9.5 Page Faulting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
9.6 Copying To/From Userspace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
10 High Memory Management 119
10.1 Managing the PKMap Address Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
10.2 Mapping High Memory Pages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
10.3 Mapping High Memory Pages Atomically . . . . . . . . . . . . . . . . 122
10.4 Bounce Buffffers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
10.5 Emergency Pools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
11 Page Frame Reclamation 126
11.1 Pageout Daemon (kswapd) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
11.2 Page Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
11.3 Shrinking all caches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
11.4 Page Hash . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
11.5 Inode Queue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
11.6 Refifilling inactive_list . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
11.7 Reclaiming pages from the page cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
11.8 Swapping Out Process Pages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
12 Swap Management 135
12.1 Describing the Swap Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
12.2 Mapping Page Table Entries to Swap Entries . . . . . . . . . . . . . . 139
12.3 Allocating a swap slot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
12.4 Swap Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141CONTENTS
4
12.5 Activating a Swap Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
12.6 Deactivating a Swap Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
12.7 Swapping In Pages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
12.8 Swapping Out Pages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
12.9 Read/Writing the Swap Area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
13 Out Of Memory Management 148
13.1 Selecting a Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
13.2 Killing the Selected Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149List of Figures
2.1 Example Patch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.1 Relationship Between Nodes, Zones and Pages . . . . . . . . . . . . . 21
4.1 Linear Address Bit Size Macros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2 Linear Address Size and Mask Macros . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.3 Page Table Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.4 Call Graph: paging_init . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.1 Call Graph: setup_memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.2 Call Graph: __alloc_bootmem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.3 Call Graph: mem_init . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
6.1 Free page block management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6.2 Call Graph: alloc_pages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.3 Allocating physical pages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.4 Call Graph: __free_pages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
7.1 Kernel Address Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.2 VMalloc Address Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7.3 Call Graph: vmalloc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7.4 Call Graph: vfree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
8.1 Layout of the Slab Allocator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
8.2 Call Graph: kmem_cache_create . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
8.3 Call Graph: kmem_cache_reap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
8.4 Call Graph: kmem_cache_shrink . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
8.5 Call Graph: __kmem_cache_shrink . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
8.6 Call Graph: kmem_cache_destroy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
8.7 Page to Cache and Slab Relationship . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
8.8 Slab With Descriptor On-Slab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
8.9 Slab With Descriptor Offff-Slab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
8.10 Call Graph: kmem_cache_grow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
8.11 initialised kmem_bufctl_t Array . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
8.12 Call Graph: kmem_slab_destroy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
8.13 Call Graph: kmem_cache_alloc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5LIST OF FIGURES
6
8.14 Call Graph: kmalloc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
8.15 Call Graph: kfree . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
9.1 Data Structures related to the Address Space . . . . . . . . . . . . . 90
9.2 Memory Region Flags . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
9.3 Call Graph: sys_mmap2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
9.4 Call Graph: get_unmapped_area . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
9.5 Call Graph: insert_vm_struct . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
9.6 Call Graph: sys_mremap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
9.7 Call Graph: move_vma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
9.8 Call Graph: move_page_tables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
9.9 Call Graph: sys_mlock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
9.10 Call Graph: do_munmap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
9.11 Call Graph: do_page_fault . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
9.12 Call Graph: handle_mm_fault . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
9.13 Call Graph: do_no_page . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
9.14 Call Graph: do_swap_page . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
9.15 Call Graph: do_wp_page . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
9.16 do_page_fault Flow Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
10.1 Call Graph: kmap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
10.2 Call Graph: kunmap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
10.3 Call Graph: create_bounce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
10.4 Call Graph: bounce_end_io_read/write . . . . . . . . . . . . . . . . 124
11.1 Call Graph: kswapd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
11.2 Page Cache LRU List . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
11.3 Call Graph: shrink_caches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
11.4 Call Graph: swap_out . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
12.1 Storing Swap Entry Information in swp_entry_t
. . . . . . . . . . . 139
12.2 Call Graph: get_swap_page . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
12.3 Adding a Page to the Swap Cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
12.4 Call Graph: add_to_swap_cache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
12.5 Call Graph: sys_writepage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
13.1 Call Graph: out_of_memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148List of Tables
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