Mlock分析报告课案

Mlock 分析报告第一部分Linux 存储管理机制一80386体系结构的内存管理功能80386有两种工作模式：实地址模式和虚拟地址模式（又称保护模式）。

实地址模式是为了与8086兼容而设置的。

这时，只能寻址1MB的地址空间，不能启用分页机制，不区分特权，分段功能也受到了极大的限制。

而在保护模式下，分段机制得到加强。

虚地址空间可为16K个段，每个段的大小可变，最大达到4GB。

段具有独立的属性，包括段长、起始地址、段类型和保护位等。

而且80386提供片内页管理机制，通过两级页表来实现线性地址和物理地址之间的映射，为LINUX的虚拟内存管理提供了直接的支持。

80386的虚拟地址模式同时使用了分段机制和分页机制两级地址转换机制来进行地址转换。

第一级使用分段机制，把包含段地址和段内偏移量的虚拟地址，转换为一个线性地址。

第二级使用分页机制，把线性地址转换为物理地址。

如图所示。

存储管理子系统实现以下这些功能：１．更大的地址空间：操作系统似的系看起来拥有一个比它实际拥有的地址大的多的地址空间，虚存能够实现比物理存储空间许多倍的地址空间．２．保护每一个进程在系统中都有它自己的地址空间，虚地址空间使得各个进程完全分离开来，因此一个进程运行一个应用程序完全不会影响到另一个进程．另外，硬件级的虚存机制为内存提供了写保护，这就保证数据不会被非法的应用程序重写．３．存储映像存储映像用来把图象或数据文件映像到一个进程的地址空间．在存储映像中，文件的内容直接和进程的虚拟地址空间相连４．平衡物理存储空间的分配存储管理子系统允许每一个运行的进程公平地竞争系统的物理存储空间．５．共享虚存空间二LINUX的分页管理机制在LINUX中，每一个用户进程都可以访问4GB的线性虚拟内存空间。

其中从0到3GB 的虚拟内存地址是用户空间，用户进程可以直接对其进行访问。

从3GB到4GB的虚拟内存地址为系统空间，存放仅供核心态访问的代码和数据。

当用户进程试图对其访问时，就会触发处理器的特权级转换（从处理器的特权级3切换到特权级0），即从操作系统的用户态切换到核心态。

所有进程从3GB到4GB的虚拟空间映像都是一样的，LINUX以此方式让核心态进程共享代码段和数据段。

核心态虚拟空间从3GB到3GB+4M的一段（也就是进程页目录第768项所管辖的范围），被影射到物理空间0到4M段。

因此，进程处于核心态时，只要通过访问虚拟空间3GB 到3GB+4M段，即访问了物理空间0到4M段。

上述两种空间对用户进程来说都是透明的，用户进程所访问的内存地址都是连续的4GB 线性虚拟地址。

因此，我们首先关心的是LINUX是如何划分虚拟空间的。

LINUX采用“按需调页”（Demand Paging）技术管理虚拟内存。

标准LINUX的虚存页表应为三级页表，依次为页目录(PGD，Page Directory)、中间页目录(PMD，Page Middle Directory)和页表（PTE，Page Table）。

PGD PMD PTE Page Frame图1. LINUX的三级页表结构每一个page 都有一个标识符PFN (Page Frame Number), 因此,虚地址也就由两部分组成: 一个页内偏移地址和一个PFN ,每当处理器遇到一个虚地址, 它就将虚地址的PFN 转化成一个物理页面的起始地址, 然后, 在根据page_offset 的值, 找到实际的物理地址, 这个过程中间要通过一个页表来实现, 其转换过程如下:图3. 虚地址经过页表转换成实地址的过程在一个页表中, 每一行包含了下列数据:●有效位: 用来描述页表的这个入口是否可用●这个入口所对应的物理页表数●存储控制信息:其中包括是否可写,是否可执行页表的访问是通过把虚地址的PFN 作为页表的偏移量来访问的. 例如PFN=5 ,则访问的页表的入口为第六个表项( 0 为第一个表项).处理器处理一个页表的地址时, 首先必须算出页表的PFN 和页内偏移量. 要实现表的大小为 2 的幂级大小，这个可以通过掩码(masking) 和移位（shifting）来实现．处理器利用虚地址的PFN 作为目录来检索要处理处的页表的入口．如果这个入口是可用的，处理器从页表中取出这个页表项所对应的物理地址的PFN ．如果这个入口不可用，则说明进程试图存取一个不在内存中的页面．在这种情况下，处理器不能处理，应该叫给操作系统来实现，以便操作系统能够处理它．进程通过发出一个page fault 来通知操作系统，然后操作系统就能够解释发出页面失配及其原因，如果进程从页表中访问一个可用的入口，则进程从页表中取得物理地址的PFN ，然后把这个数乘上页表的大小，以便的到页表在物理内存中的起始地址，最后在加上偏移量就得到了要取数据或指令的正确内存地址．三Linux 的虚存管理１．共享虚存虚存使得几个进程更容易共享存储区．所有存储操作都是通过页表来实现的，每一个进程都有它私人的页表．如果两个进程想要共享一页物理内存，它的页帧号（ＰＦＮ）必须在两个进程的一个页表入口中能够找得到．每一个进程的虚存都是有一个mm_struct 结构来描述的，其中包括正在执行的映像的信息和一个指向许多vm_area_struct 结构的指针，每一个vm_area_struct 描述一段虚存的起始地址和结束地址，进程对那一段的存取权限和对这段存储区的一组操作。

当一个映像被映射到一个进程的虚地址中，一组vm_area_struct 结构就产生了，每一个vm_area_struct 结构都代表一段可执行的映像，可执行代码、初始化数据（变量）、未初始化数据等等。

Linux 支持许多标准的虚存操作，当vm_area_struct 被产生后，一组对于虚存的正确的操作也就跟他联系起来。

２．按需调页中用到的虚存段的操作当一个影响被影射进进程的虚地址后，它就可以执行了。

只要影象的起始地址被印象进物理内存，它就要存取一个尚不在内存中的虚存段。

当一个进程访问一个尚没有合法的页表入口的虚地址，它就回向操作系统报告一个页面失配的错误。

页面失配错误描述发生页面失配的虚地址和引起页面失配的存储类型。

Linux 必许找到表示发生页面失配的存储区的虚存段，由于沿着vm_area_struct 结构搜索对于处理页面失配的效率有非常重要的关系，这些虚存段被连接成A VL树结构，如果表示页面失配的虚存段，则这个进程访问了一个非法的虚地址。

Linux 将用信号通知进程，让进程发出一个SIGSEGV 信号，如果进程不能处理这样的信息，则进程将要终止。

３．System Ｖ共享内存页面System Ｖ共享内存是一种内处理通讯机制（inter-process communication mechanism），允许两个或多个共享同一段虚存的进程互相通讯。

进程如何用这种方式共享内存在IPC-chapter一章中有详细的说明，现在可以很清楚地说System Ｖ的每一块被共享的内存都是由一个shmid_ds 的数据结构描述，这个数据结构中包含一个指针指向一个vm_area_struct 数据结构形成的队列，每一个共享这一段虚存的进程在这一个链表中都有一个节点，vm_area_struct数据结构描述了在进程的什么地方开始使用共享的虚存。

对于System V中的共享虚存，指向它的所有vm_area_struct结构都是通过vm_next_shared和vm_prev_shared 连接起来的。

每一个shmid_ds数据结构也包含一个页表入口的链表，其中每一个shmid_ds 数据结构包含了一个共享的虚页所映像到的物理页面入口。

尽管虚存管理允许进程有不同的地址空间（虚），但有时也需要进程共享同一段存储空间．例如有可能有几个进程运行于系统中且同时使用bash 命令的shell .此时并不是各进程在自己的地址空间中分别拥有一个bash 的拷贝，更好的方法是在物理空间上有一个bash 的拷贝，所有运行bash的进程读共享它，动态链接库是另一个多进程共享执行代码的例子．存储共享机制也可以用来实现进程内部通讯，两个或多个进程通过共享的存储空间来交换信息，在INTEL微机上，LINUX的页表结构实际为两级。

80386体系结构之页管理机制中的页目录就是PGD，页表就是PTE。

而PMD和PGD实际上是合二为一的。

在虚存段的加锁操作中, 主要涉及到的是对于页表的操作:在/include/linux/page.h 中通过一些宏定义来实现,#define PAGE_SHIFT 12#define PAGE_SIZE (1UL << PAGE_SHIFT)#define PAGE_MASK (~(PAGE_SIZE-1))在page.h 中通过定义PAGE_SHIFT 为12 ,然后定义PAGE_SIZE 为一个无符号长整型左移PAGE_SHIFT 位, 从而固定page 的大小为4K , 而PAGE_MASK 的作用比较多，它本身是一个无符号长整型数，其低十二位都为０，高位读为１。

它的作用在mlock.c的分析中将要进行详细说明。

虚存空间的分配和管理:每当启动一个新进程，LINUX都为其分配一个task_struct结构，内含saved_kernel_stack、ldt、tss、mm等内存管理信息，详见进程管理部分。

其中，task_struct结构内嵌mm_struct结构，此结构包含了用户进程中与存储有关的信息。

struct mm_struct {int count;pgd_t * pgd; /* 进程页目录的起始地址，如图X-6所示*/unsigned long context;unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data;unsigned long start_brk, brk, start_stack, start_mmap;unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end;unsigned long rss, total_vm, locked_vm;unsigned long def_flags;struct vm_area_struct * mmap; /* 指向vma双向链表的指针*/struct vm_area_struct * mmap_avl; /* 指向vma A VL树的指针*/struct semaphore mmap_sem;}●start_code、end_code：进程代码段的起始地址和结束地址。

●start_data、end_data：进程数据段的起始地址和结束地址。