Разработка ядра Linux - Роберт Лав

Рассмотрим подробнее назначение наиболее интересных и важных флагов. Флаги VM_READ, VM_WRITE и VM_EXEC указывают обычные права на чтение-запись и выполнение для страниц памяти, которые принадлежат данной области памяти. При необходимости их можно комбинировать для формирования соответствующих прав доступа. Например, отображение выполняемого кода процесса может быть выполнено с указанием флагов VM_READ и VM_EXEC, но никак не с указанием флага VM_WRITE. С другой стороны, сегмент данных из выполняемого файла может отображаться с указанием флагов VM_READ и VM_WRITE, указывать при этом флаг VM_EXEC не имеет смысла. Файл данных, который отображается только для чтения, должен отображаться с указанием только флага VM_READ.

Флаг VM_SHARED указывает на то, что область памяти содержит отображение, которое может совместно использоваться несколькими процессами. Если этот флаг установлен, то такое отображение называют совместно используемым (shared mapping), что интуитивно понятно. Если этот флаг не установлен, то такое отображение доступно только одному процессу и оно называется частным отображением, (private mapping).

Флаг VM_IO указывает, что область памяти содержит отображение области ввода-вывода аппаратного устройства. Этот флаг обычно устанавливается драйверами устройств при выполнении вызова mmap() для отображения в память области ввода-вывода аппаратного устройства. Кроме всего прочего, этот флаг указывает, что область памяти не должна включаться в файл core процесса. Флаг VM_RESERVED указывает, что область памяти не должна откачиваться на диск. Этот флаг также укалывается при отображении на память областей ввода-вывода аппаратных устройств.

Флаг VM_SBQ_READ является подсказкой ядру, что приложение выполняет последовательное (т.е. линейное и непрерывное) чтение из соответствующего отображения. При этом ядро может повысить производительность чтения за счет выполнения упреждающего чтения (read-ahead) из отображаемого файла. Флаг VM_RAND_READ указывает обратное, т.е. приложение выполняет операции чтения из случайно выбранных мест отображения (т.е. не последовательно). При этом ядро может уменьшить или совсем отключить выполнение упреждающего чтения из отображаемого файла. Эти флаги устанавливаются с помощью системного вызова madvice() путем указания соответственно флагов MADV_SEQUENTIAL и MADV_RANDOM для этого вызова. Упреждающее чтение — это последовательное чтение несколько большего количества данных, чем было запрошено, в надежде на то, что дополнительно считанные данные могут скоро понадобиться. Такой режим полезен для приложений, которые считывают данные последовательно. Однако если считывание данных выполняется случайным образом, то режим упреждающего чтения не эффективен.

Операции с областями VMA

Поле vm_ops структуры vm_area_struct содержит указатель на таблицу операций, которые связаны с данной областью памяти и которые ядро может вызывать для манипуляций с областью VMA. Структура vm_area_struct служит общим объектом для представления всех типов областей виртуальной памяти, а в таблице операций описаны конкретные методы, которые могут быть применены к каждому конкретному экземпляру объекта.

Таблица операций представлена с помощью структуры vm_operations_struct, которая определена в файле <linux/mm.h> следующим образом.

struct vm_operations_struct {

 void (*open)(struct vm_area_struct*);

 void (*close)(struct vm_area_struct*);

 struct page* (*nopage)(struct vm_area_struct*, unsigned long, int);

 int (*populate)(struct vm_area struct*, unsigned long,

  unsigned long, pgprot_t, unsigned long, int);

};

Рассмотрим каждый метод в отдельности.

• void open(struct vm_area_struct *area);

Эта функция вызывается, когда соответствующая область памяти добавляется в адресное пространство.

• void close(struct vm_area_struct *area);

Эта функция вызывается, когда соответствующая область памяти удаляется из адресного пространства.

• struct page* nopage(struct vm_area_struct *area,

  unsigned long address, int unused);

Эта функция вызывается обработчиком прерывания из-за отсутствия страницы (page fault), когда производится доступ к странице, которая отсутствует в физической памяти.

• int populate(struct vm_area_struct *area,

  unsigned long address, unsigned long len, pgprot_t prot,

  unsigned long pgoff, int nonblock);

Эта функция вызывается из системного вызова remap_pages() для предварительного заполнения таблиц страниц области памяти (prefault) при создании нового отображения.

Списки и деревья областей памяти

Как уже рассказывалось, к областям памяти осуществляется доступ с помощью двух структур данных дескриптора памяти: полей mmap и mm_rb. Эти две структуры данных независимо друг от друга указывают на все области памяти, связанные с данным дескриптором памяти. Они содержат указатели на одни и те же структуры vm_area_struct, просто эти указатели связаны друг с другом по-разному.

Первый контейнер, поле mmap, объединяет все объекты областей памяти в односвязный список. Структуры vm_area_struct объединяются в список с помощью своих полей vm_next. Области памяти отсортированы в порядке увеличения адресов (от наименьшего и до наибольшего). Первой области памяти соответствует структура vm_area_struct, на которую указывает само поле mmap. Указатель на самую последнюю структуру равен значению NULL.

Второе поле, mm_rb, объединяет все объекты областей памяти в красно-черное (red-black) дерево. На корень дерева указывает поле mm_rb, а каждая структура vm_area_struct присоединяется к дереву с помощью поля vm_rb.

Красно-черное дерево — это один из типов бинарного дерева. Каждый элемент красно-черного дерева называется узлом. Начальный узел является корнем дерева. Большинство узлов имеет два дочерних узла: левый дочерний узел и правый дочерний узел. Некоторые узлы имеют всего один дочерний узел, и, наконец, узлы, которые не имеют дочерних, называются листьями. Для любого узла все элементы дерева, которые находятся слева от данного узла, всегда меньше по своему значению, чем значение данного узла, а все элементы дерева, которые находятся справа от некоторого узла, всегда больше по значению, чем значение этого узла. Более того, каждому узлу присвоен цвет (красный или черный, отсюда и название этого типа деревьев) в соответствии со следующими двумя правилами: дочерние элементы красного узла являются черными и любой путь по дереву от узла к листьям должен содержать одинаковое количество черных узлов. Корень дерева всегда красный. Поиск, вставка и удаление элементов из такого дерева требуют количество операций порядка О(log(n)).

Связанный список используется, когда необходимо пройти по всем узлам. Красно- черное дерево используется, когда необходимо найти определенную область памяти адресного пространства. Таким образом, ядро использует избыточные структуры данных для обеспечения оптимальной производительности независимо от того, какие операции выполняются с областями памяти.

Области памяти в реальной жизни

Рассмотрим пример адресного пространства процесса и области памяти в этом адресном пространстве. Для этой цели можно воспользоваться полезной файловой системой /proc и утилитой pmар(1). В качестве примера рассмотрим следующую простую прикладную программу, которая работает в пространстве пользователя. Эта программа не делает абсолютно ничего, кроме того, что служит примером.

int main(int argc, char *argv[]) {

 return 0;

}

Рассмотрим список областей памяти из адресного пространства этого процесса. Этих областей немного. Мы уже знаем, что среди них есть сегмент кода, сегмент данных сегмент bss. Если учесть, что эта программа динамически скомпонована с библиотекой функций языка С, то соответствующие области существуют также для модуля libc.so и для модуля ld.so. И наконец, среди областей памяти также есть стек процесса.

Результат вывода списка областей адресного пространства этого процесса из файла /proc/<pid>/maps имеет следующий вид.

[email protected]:~$ cat /proc/1426/maps

00e80000-00faf000 r-xp 00000000 03:01 208530 /lib/tls/libc-2.3.2.so

00faf000-00fb2000 rw-p 0012f000 03:01 208530 /lib/tls/libc-2.3.2.so

00fb2000-00fb4000 rw-p 00000000 00:00 0

08048000-08049000 r-xp 00000000 03:03 439029 /home/rml/src/example

08049000-0804a000 rw-p 00000000 03:03 439029 /home/rml/src/example

40000000-40015000 r-xp 00000000 03:01 80276  /lib/ld-2.3.2.so

40015000-40016000 rw-p 00015000 03:01 80276  /lib/ld-2.3.2.so

4001e000-4001f000 rw-p 00000000 00:00 0

bfffe000-c0000000 rwxp fffff000 00:00 0

Информация об областях памяти выдается в следующем формате.

начало-конец права доступа смещение старший:младший номера устройства файловый индекс файл