Linux 的 Virtual Memory Areas（VMA）：Process 與 VMA 整體觀念

jollen 發表於 January 15, 2007 3:27 PM

要了解 VMA（Virtual Memory Area）的「整體觀念」，最好的方式就是圖解說明。下圖說明了 process 與 VMA 的整體觀念。

圖：Process 與 VMA 整體觀念

Memory Descriptor

Linux 的「Process Descriptor」資料結構為 struct task_struct（include/linux/sched.h）。Process descriptor 裡的 mm field 紀錄了 process 的 VMA 資訊：

struct task_struct {
	...
	struct mm_struct *mm;
	...
}

struct mm_struct 即是 Linux 提供的「Memory Descriptor」資料結構，以下是 struct mm_struct 的原型宣告：

struct mm_struct {
	struct vm_area_struct * mmap;	/* list of VMAs */
	struct rb_root mm_rb;
	struct vm_area_struct * mmap_cache;	/* last find_vma result */
	unsigned long (*get_unmapped_area) (struct file *filp,
				unsigned long addr, unsigned long len,
				unsigned long pgoff, unsigned long flags);
	void (*unmap_area) (struct mm_struct *mm, unsigned long addr);
	unsigned long mmap_base;		/* base of mmap area */
	unsigned long task_size;		/* size of task vm space */
	unsigned long cached_hole_size;      /* if non-zero, the largest hole below free_area_cache */
	unsigned long free_area_cache;	/* first hole of size cached_hole_size or larger */
	pgd_t * pgd;
	atomic_t mm_users;			/* How many users with user space? */
	atomic_t mm_count;			/* How many references to "struct mm_struct" (users count as 1) */
	int map_count;				/* number of VMAs */
	struct rw_semaphore mmap_sem;
	spinlock_t page_table_lock;		/* Protects page tables and some counters */

	struct list_head mmlist;		/* List of maybe swapped mm's.  These are globally strung
					 * together off init_mm.mmlist, and are protected
					 * by mmlist_lock
					 */

	/* Special counters, in some configurations protected by the
	 * page_table_lock, in other configurations by being atomic.
	 */
	mm_counter_t _file_rss;
	mm_counter_t _anon_rss;

	unsigned long hiwater_rss;	/* High-watermark of RSS usage */
	unsigned long hiwater_vm;	/* High-water virtual memory usage */

	unsigned long total_vm, locked_vm, shared_vm, exec_vm;
	unsigned long stack_vm, reserved_vm, def_flags, nr_ptes;
	unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data;
	unsigned long start_brk, brk, start_stack;
	unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end;

	unsigned long saved_auxv[AT_VECTOR_SIZE]; /* for /proc/PID/auxv */

	unsigned dumpable:2;
	cpumask_t cpu_vm_mask;

	/* Architecture-specific MM context */
	mm_context_t context;

	/* Token based thrashing protection. */
	unsigned long swap_token_time;
	char recent_pagein;

	/* coredumping support */
	int core_waiters;
	struct completion *core_startup_done, core_done;

	/* aio bits */
	rwlock_t		ioctx_list_lock;
	struct kioctx		*ioctx_list;
};

Memory descriptor 故名思義，是用來描述 process 記憶體資訊的資料結構。由 struct mm_struct 裡可以看到一個稱為 mmap 的 field，mmap 的 data type 為 struct vm_area_struct，這個資料結構即是我們在「Linux 的 Virtual Memory Areas（VMA）：基本概念介紹」所介紹的 VMA 資料結構。

VMA 與 ELF Image 的對映關係

在「Linux 的 Virtual Memory Areas（VMA）：基本概念介紹」曾經介紹過，Process 的 VMA 對映，可以由 /proc/<pid>/maps 檔案查詢；例如 pid 1（init）的 VMA mapping 為：

$ cat /proc/1/maps
08048000-0804e000 r-xp 00000000 08:01 12118      /sbin/init
0804e000-08050000 rw-p 00005000 08:01 12118      /sbin/init
08050000-08054000 rwxp 00000000 00:00 0
40000000-40016000 r-xp 00000000 08:01 52297      /lib/ld-2.2.4.so
40016000-40017000 rw-p 00015000 08:01 52297      /lib/ld-2.2.4.so
40024000-40025000 rw-p 00000000 00:00 0
40025000-40157000 r-xp 00000000 08:01 58241      /lib/i686/libc-2.2.4.so
40157000-4015c000 rw-p 00131000 08:01 58241      /lib/i686/libc-2.2.4.so
4015c000-40160000 rw-p 00000000 00:00 0
bfffe000-c0000000 rwxp fffff000 00:00 0

列表結果便能用來說明 VMA 與 ELF image 之間的關係。搭配上圖來說明列表結果的 VMA 對映關係，如下：

第 1 列（row）是 ELF 執行檔（/sbin/init）的 code section VMA mapping；
第 2 列是 ELF 執行檔的 data section VMA mapping；
第 3 列是 ELF 執行檔的 .bss section VMA mapping。
第 4 列是 dynamic loader（/lib/ld-2.2.4.so）的 code section VMA mapping；
第 5 列是 dynamic loader 的 data section VMA mapping；
第 6 列是 dynamic loader 的 .bss section VMA mapping。
第 7 列是 libc 的 code section VMA mapping；
第 8 列是 libc 的 data section VMA mapping；
第 9 列是 libc 的 .bss section VMA mapping。

另外，要留意的是，在文中所指的 code section 與 data section 不見得就是 ELF 的 .text section 與 .data section；我們以 code section 來表示所有可執行的節區，以 data section 來表示包含資料的節區。

在整個 VMA 的討論過程中，我們只針對 code section 與 data section 做討論（如圖），至於 .bss section 的話，原則上另案來討論其核心實作會比較實際一些。

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2007.01.05: Linux 的 Virtual Memory Areas（VMA）：基本概念介紹

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