Разработка ядра Linux - Роберт Лав

Рассмотрим эту структуру с комментариями, поясняющими назначение каждого поля.

struct mm_struct {

 struct vm_area_struct *mmap;        /* список областей памяти */

 struct rb_root        mm_rb;        /* красно-черное дерево

                                        областей памяти */

 struct vm_area_struct *mmap_cache;  /* последняя использованная

                                        область памяти */

 unsigned long         free_area_cache; /* первый незанятый участок

                                           адресного пространства */

 pgd_t                 *pgd;         /* глобальный каталог страниц */

 atomic_t              mm_users;     /* счетчик пользователей адресного

                                        пространства */

 atomic_t              mm_count;     /* основной счетчик использования */

 int                   map_count;    /* количество областей памяти */

 struct rw_semaphore   mmap_sem;     /* семафор для областей памяти */

 spinlock_t            page_table_lock; /* спин-блокировка

                                           таблиц страниц */

 struct list_head      mmlist;       /* список всех структур mm_struct */

 unsigned long         start_code;   /* начальный адрес сегмента кода */

 unsigned long         end code;     /* конечный адрес сегмента кода */

 unsigned long         start_data;   /* начальный адрес сегмента данных */

 unsigned long         end_data;     /* конечный адрес сегмента данных */

 unsigned long         start_brk;    /* начальный адрес сегмента "кучи" */

 unsigned long         brk;          /* конечный адрес сегмента "кучи" */

 unsigned long         start_stack;  /* начало стека процесса */

 unsigned long         arg_start;    /* начальный адрес

                                        области аргументов */

 unsigned long         arg_end;      /* конечный адрес

                                        области аргументов */

 unsigned long         env_start;    /* начальный адрес

                                        области переменных среды */

 unsigned long         env_end;      /* конечный адрес

                                        области переменных среды */

 unsigned long         rss;          /* количество физических страниц памяти */

 unsigned long         total_vm;     /* общее количество страниц памяти */

 unsigned long         locked_vm;    /* количество заблокированных страниц

                                        памяти */

 unsigned long         def_flags;    /* флаги доступа, используемые

                                        по умолчанию */

 unsigned long         cpu_vm_mask;  /* маска отложенного переключения

                                        буфера TLB */

 unsigned long         swap_address; /* последний сканированный адрес */

 unsigned              dumpable:1;   /* можно ли создавать файл core? */

 int                   used_hugetlb; /* используются ли гигантские

                                        страницы памяти (hugetlb)? */

 mm_context_t          context;      /* данные, специфичные для аппаратной

                                        платформы */

 int                   core_waiters; /* количество потоков, ожидающих на

                                        создание файла core */

 struct completion     *core_startup_done; /* условная переменная начала

                                              создания файла core */

 struct completion     core_done;    /* условная переменная завершения

                                        создания файла core */

 rwlock_t              ioctx_list_lock; /* блокировка списка асинхронного

                                           ввода-вывода (AIO) */

 struct kioctx         *ioctx_list;  /* список асинхронного ввода-вывода (AIO) */

 struct kioctx         default_kioctx; /* контекст асинхронного ввода-

                        вывода, используемый по умолчанию */

};

Поле mm_users — это количество процессов, которые используют данное адресное пространство. Например, если одно и то же адресное пространство совместно используется двумя потоками, то значение поля mm_users равно двум. Поле mm_count — это основной счетчик использования структуры mm_struct. Наличие пользователей структуры, которым соответствует поле mm_users, приводит к увеличению счетчика mm_count на единицу. В предыдущем примере значение поля mm_count равно единице. Когда значение поля mm_users становится равным нулю (т.е. когда два потока завершатся), только тогда значение поля mm_count уменьшается на единицу. Когда значение поля mm_count становится равным нулю, то на соответствующую структуру mm_struct больше нет ссылок, и она освобождается, Поддержка двух счетчиков позволяет ядру отличать главный счетчик использования (mm_count) от количества процессов, которые используют данную структуру (mm_users).

Поля mmap и mm_rb — это два различных контейнера данных, которые содержат одну и ту же информацию: информацию обо всех областях памяти в соответствующем адресном пространстве. В первом контейнере эта информация хранится в виде связанного списка, а во втором — в виде красно-черного бинарного дерева. Поскольку красно-черное дерево — это разновидность бинарного дерева, то, как и для всех типов бинарного дерева, количество операций поиска заданного элемента в нем равно О(log(n)). Более детальное рассмотрение красно-черных деревьев найдете в разделе "Списки и деревья областей памяти".

Хотя обычно в ядре избегают избыточности, связанной с введением нескольких структур для хранения одних и тех же данных, тем не менее в данном случае эта избыточность очень кстати. Контейнер mmap — это связанный список, который позволяет очень быстро проходить по всем элементам. С другой стороны, контейнер mm_rb — это красно-черное дерево, которое очень хорошо подходит для поиска заданного элемента. Области памяти будут рассмотрены в этой главе несколько ниже,

Все структуры mm_struct объединены в двухсвязный список с помощью нолей mmlist. Первым элементом этого списка является дескриптор памяти init_mm, который является дескриптором памяти процесса init. Этот список защищен от конкурентного доступа с помощью блокировки mmlist_lock, которая определена в файле kernel/fork.с. Общее количество дескрипторов памяти хранится в глобальной целочисленной переменной mmlist_nr, которая определена в том же файле.

Выделение дескриптора памяти

Указатель на дескриптор памяти, выделенный для какой-либо задачи, хранится в поле mm дескриптора процесса этой задачи. Следовательно, выражение current->mm позволяет получить дескриптор памяти текущего процесса. Функция copy_mm() используется для копирования дескриптора родительского процесса в дескриптор порожденного процесса во время выполнения вызова fork(). Структура mm_struct выделяется из слябового кэша mm_cachep с помощью макроса allocate_mm(). Это реализовано в файле kernel/fork.c. Обычно каждый процесс получает уникальный экземпляр структуры mm_struct и соответственно уникальное адресное пространство.

Процесс может использовать одно и то же адресное пространство совместно со своими порожденными процессами, путем указания флага CLONE_VM при выполнении вызова clone(). Такие процессы называются потоками. Вспомните из материала главы 3, "Управление процессами", что в операционной системе Linux в этом и состоит единственное существенное отличие между обычными процессами и потоками. Ядро Linux больше никаким другим образом их не различает. Потоки с точки зрения ядра — это обычные процессы, которые просто совместно используют некоторые общие ресурсы.

В случае, когда указан флаг CLONE_VM, макрос allocate_mm() не вызывается, а в поле mm дескриптора порожденного процесса записывается значение указателя на дескриптор памяти родительского процесса. Это реализовано с. помощью следующего оператора ветвления в функции сору_mm().

if (clone_flags & CLONE_VM) {

 /*

 * current — это родительский процесс

 * tsk — это процесс, порожденный в вызове fork()

 */

 atomic_inc(&current->mm->mm_users);

 tsk->mm = current->mm;

}

Удаление дескриптора памяти

Когда процесс, связанный с определенным адресным пространством, завершается, то вызывается функция exit_mm(). Эта функция выполняет некоторые служебные действия и обновляет некоторую статистическую информацию. Далее вызывается функция mput(), которая уменьшает на единицу значение счетчика количества пользователей mm_users для дескриптора памяти. Когда значение счетчика количества пользователей становится равным нулю, то вызывается функция mmdrop(), которая уменьшает значение основного счетчика использования mm_count. Когда и этот счетчик использования наконец достигает нулевого значения, то вызывается функция free_mm(), которая возвращает экземпляр структуры mm_struct в слябовый кэш mm_cachep с помощью вызова функции kmem_cache_free(), поскольку дескриптор памяти больше не используется.