Разработка ядра Linux - Роберт Лав

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

Утилита pmap(1)[82] форматирует эту информацию в следующем, более удобочитаемом виде.

[email protected]:~$ pmap 142 6 example[142 6]

00e80000 (1212 KB) r-xp (03:01 208530) /lib/tls/libc-2.3.2.so

00faf000 (12 KB)   rw-p (03:01 208530) /lib/tls/libc-2.3.2.so 00fb2000 (8 KB) rw-p (00:00 0)

08048000 (4 KB)    r-xp (03:03 439029) /home/rml/src/example

08049000 (4 KB)    rw-p (03:03 439029) /home/rml/src/example

40000000 (84 KB)   r-xp (03:01 80276)  /lib/ld-2.3.2.so

40015000 (4 KB)    rw-p (03:01 80276)  /lib/ld-2.3.2.so

4001e000 (4 KB)    rw-p (00:00 0)

bfffe000 (8 KB)    rwxp (00:00 0)

mapped: 1340 KB writable/private: 40 KB shared: 0 KB

Первые три строчки соответствуют сегменту кода, сегменту данных и сегменту bss модуля libc.so (библиотека функций языка С). Следующие две строчки описывают соответственно сегмент кода и сегмент данных выполняемого образа. Далее три строчки — описание сегментов кода, данных и bss модуля ld.so (динамический компоновщик). Последняя строчка описывает стек процесса.

Обратите внимание, что все сегменты кода имеют права на чтение и выполнение, что и должно быть для выполняемых образов. С другой стороны, сегменты данных и bss, которые содержат глобальные переменные, помечаются как имеющие права на запись и чтение, а не на выполнение.

Все адресное пространство составляет порядка 1340 Кбайт, но только 40 Кбайт из них имеют право на запись и соответствуют частному отображению. Если область памяти является совместно используемой и не имеет прав на запись, то ядро хранит в памяти всего одну копию отображаемого файла. Это может показаться обычным для совместно используемых отображений; однако, случай, когда при этом еще и отсутствуют права на запись, проявляется несколько неожиданно. Если учесть факт, что когда на отображение нет прав записи, то соответствующая информация никогда не может быть изменена (из отображения возможно только чтение), становится ясно, что можно совершенно безопасно загрузить выполняемый образ в память всего один раз. Поэтому динамически загружаемая библиотека функций языка С и занимает в памяти всего 1212 Кбайт, а не 1212 Кбайт, умноженное на количество процессов, которые эту библиотеку используют. В связи с этим, процесс, код и данные которого имеют объем порядка 1340 Кбайт, на самом деле занимает всего 40 Кбайт физической памяти. Экономия памяти из-за такого совместного использования получается существенной.

Обратите внимание на области памяти, которые не имеют отображаемого файла, находятся на устройстве с номерами 00:00 и номер файлового индекса для которых равен нулю. Это отображение страницы, заполненной нулями (zero page, пулевая страница). Если отобразить страницу, заполненную нулями, на область памяти, которая имеет права на запись, то побочным эффектом является инициализация всех переменных в нулевые значения. Это важно, поскольку в таком случае получается область памяти, заполненная нулями, которая нужна для сегмента bss.

Каждой области памяти, связанной с процессом, соответствует структура vm_area_struct. Так как процесс не является потоком (thread), то для него существует отдельная структура min_struct, на которую есть ссылка из структуры task_struct.

Работа с областями памяти

Ядру часто необходимо определять, соответствует ли та или иная область памяти в адресном пространстве процесса заданному критерию, например, существует ли заданный адрес в области памяти. Эти операции являются основой работы функции mmap(), которая будет рассмотрена в следующем разделе, и выполнять их приходится часто. Несколько полезных для этого функций объявлены в файле <linux/mm.h>.

Функция find_vma()

Функция find_vma() определена в файле mm/mmap.c.

Эта функция позволяет найти в заданном адресном пространстве ту первую область памяти, для которой значение поля vm_end больше заданного адреса addr. Другими словами, эта функция позволяет найти первую область памяти, которая содержит адрес addr или начинается с адреса, большего адреса addr. Если такой области памяти не существует, то функция возвращает значение NULL.

В противном случае возвращается указатель на соответствующую структуру vm_area_struct. Обратите внимание, что найденная область VMA может начинаться с адреса, большего адреса addr, и этот адрес не обязательно принадлежит найденной области памяти. Результат выполнения функции find_vma() кэшируется в поле map_cache дескриптора памяти. Поскольку очень велика вероятность того, что после одной операции с областью памяти последуют еще операции с ней же, то процент попаданий в кэш получается достаточно большим (на практике получаются значения порядка 30-40%). Проверка кэшированных результатов выполняется очень быстро. Если нужный адрес в кэше не найден, то выполняется поиск по всем областям памяти, связанным с заданным дескриптором. Этот поиск выполняется с помощью красно-черного дерева следующим образом.

struct vm_area_struct* find_vma(struct mm_struct *mm,

 unsigned long addr) {

 struct vm_area_struct *vma = NULL;

 if (mm) {

  vma = mm->mmap_cache;

  if (!(vma && vma->vm_end > addr && vma->vm_start <= addr)) {

   struct rb_node* rb_node;

   rb_node = mm->mm_rb.rb_node;

   vma = NULL;

   while (rb_node) {

    struct vm_area_struct* vma_tmp;

    vma_tmp =

     rb_entry(rb_node, struct vm_area_struct, vm_rb);

    if (vma_tmp->vm_end > addr) {

     vma = vma_tmp;

     if (vma_tmp->vm_start <= addr)

      break;

     rb_node = rb_node->rb_left;

    } else

     rb_node = rb_node->rb_right;

   }

   if (vma)

    mm->mmap_cache = vma;

  }

 }

 return vma;

}

Вначале выполняется проверка поля vma_cache на предмет того, содержит ли кэшированная область VMA необходимый адрес. Обратите внимание, что простая проверка того, является ли значение поля vm_end большим addr, не гарантирует что проверяемая область памяти является первой, в которой есть адреса, большие addr. Поэтому, для того чтобы кэш в этой ситуации оказался полезным, проверяемый адрес должен принадлежать кэшированной области памяти. К счастью, это как раз и соответствует случаю выполнения последовательных операций с одной и той же областью VMA.

Если кэш не содержит нужную область VMA, то функция должна выполнять поиск по красно-черному дереву. Это выполняется путем проверки узлов дерева. Если значение поля vma_end для области памяти текущего узла больше addr, то текущим становится левый дочерний узел, в противном случае — правый. Функция завершает свою работу, как только находится область памяти, которая содержит адрес addr. Если такая область VMA не найдена, то функция продолжает поиск по дереву и возвращает ту область памяти, которая начинается после адреса addr. Если вообще не найдена ни одна область памяти, то возвращается значение NULL.

Функция find_vma_prev()

Функция find_vma_prev() работает аналогично функции find_vma(), но дополнительно она еще возвращает последнюю область VMA, которая заканчивается перед адресом addr. Эта функция также определена в файле mma/mmap.c и объявлена в файле <linux/ram.h> следующим образом.