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虚拟内存与缺页机制与实现详解

虚拟内存与缺页机制与实现详解

源码路径：rk3588/kernel-6.1/mm/memory.c、mmap.c、mprotect.c、mremap.c、mlock.c、madvise.c
内核版本：Linux 6.1（RK3588 / ARM64）
文档目录：linuxDoc/mm/

目录

一、原理

1.1 虚拟地址空间

每个用户进程有 struct mm_struct，包含：

  • 页表根（pgd）
  • VMA 链表 / maple tree（vm_area_struct）：每段连续虚拟区间的权限、文件映射、堆栈属性
  • mmap_lock：保护 VMA 与页表并发

CPU 通过 MMU 将虚拟地址译为物理地址；页表项无效或访问违例触发 缺页异常。

1.2 按需分配（Demand Paging）

匿名映射、文件映射通常 先建立 VMA，不立即分配物理页；首次访问触发 fault：

  • 匿名：分配零页或 COW 副本
  • 文件：从 page cache 读入或新建 cache 页
  • swap：从 swap 读回

1.3 写时复制（COW）

fork() 后父子共享只读 PTE；任一方写入触发 写保护 fault → do_wp_page() 分配新物理页并更新 PTE。

1.4 大页与 THP

若 VMA 允许且策略开启，可在 PMD/PUD 层安装 透明大页（create_huge_pmd 等），减少 TLB miss。

二、实现方式

2.1 mmap：do_mmap()

mmap.c 中 do_mmap()（~1253 行）：

  1. get_unmapped_area() 找空洞
  2. vm_mmap_pgoff() → do_mmap_pgoff
  3. 创建 vm_area_struct，设置 vm_ops、vm_flags（VM_READ/WRITE/EXEC、VM_SHARED 等）
  4. 文件映射调用 file->f_op->mmap 或 generic_file_mmap
  5. 插入 maple tree / 链表，必要时 userfaultfd 通知

munmap / expand_stack / brk 在同文件修改或删除 VMA。

2.2 缺页总入口

架构层（arch/arm64/mm/fault.c）解析异常后调用：

handle_mm_fault(vma, address, flags, regs) → __handle_mm_fault()

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static vm_fault_t __handle_mm_fault(struct vm_area_struct *vma,
		unsigned long address, unsigned int flags)
{
	// 初始化 vm_fault vmf
	pgd → p4d → pud → pmd 逐级分配/检查
	// THP: create_huge_pud / wp_huge_pud / huge_pmd_set_accessed
	return handle_pte_fault(&vmf);
}

2.3 PTE 级：handle_pte_fault()

根据 PTE 状态分支（同文件）：

情况 处理
PTE 不存在 do_anonymous_page / 文件 fault
PTE 仅读 + 写访问 do_wp_page（COW）
swap PTE do_swap_page
NUMA hint fault do_numa_page
设备/特殊 vm_ops->fault

返回 vm_fault_t：VM_FAULT_OK、VM_FAULT_RETRY（可能释放 mmap_lock）、VM_FAULT_OOM、VM_FAULT_SIGSEGV 等。

2.4 匿名页：do_anonymous_page

  • alloc_zeroed_user_highpage_movable 或类似分配
  • alloc_set_pte 安装 PTE
  • memcg charge（若启用）

2.5 写保护：do_wp_page

  • 若仍共享：分配新页，copy_page / copy_present_page
  • 更新 PTE 为可写
  • 与 userfaultfd、KSM、THP 有交叉分支

2.6 相关系统调用实现

文件 功能
mprotect.c 修改 VMA 权限，刷新 PTE 权限位
mremap.c 移动/扩展映射，可能 move_page_tables
mlock.c mlock 使页常驻，munlock 恢复
madvise.c MADV_FREE/DONTNEED/HUGEPAGE 等
mincore.c 查询页是否在内存
msync.c 映射区与文件同步

2.7 mmu_gather

批量 unmap/munmap 时用 struct mmu_gather（mmu_gather.c）累积 TLB flush，减少 IPI。

三、关键数据结构与接口

结构 说明
struct mm_struct 进程地址空间
struct vm_area_struct 虚拟区段
struct vm_fault fault 上下文（vma、addr、pgoff、gfp）
handle_mm_fault 缺页主入口
do_mmap 建立映射

锁：mmap_read_lock / mmap_write_lock；fault 中可能 VM_FAULT_RETRY 释放锁后重试。

四、RK3588 平台说明

  • ARM64 使用 4 级页表（PGD/P4D/PUD/PMD/PTE，P4D 可能折叠）。
  • 编解码进程大量 匿名映射 + mmap(dma-buf fd)：文件类 fault 在 dmabuf/file 路径，匿名堆栈在 do_anonymous_page。
  • MADV_DONTNEED 可释放冷数据缓解内存压力（与 07 回收协同）。

五、调试与观测

手段 说明
/proc/<pid>/maps VMA 列表
show_vma / procfs 内核打印 VMA
handle_mm_fault trace mm tracepoints
userfaultfd 用户态处理 fault

附录：源码索引

主题 文件 约略行号
__handle_mm_fault memory.c 5079
handle_mm_fault memory.c 5262
do_mmap mmap.c 1253
mmu_gather mmu_gather.c 全文

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