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文檔簡介
iLinuxx86_64與i386區(qū)別|之內
存尋址逾
21引子
毫無疑問,不管是32位,還是64位處理器,所有進程(執(zhí)行的程序)都必須占
用一定數(shù)量的內存,它或是用來存放從磁盤載入的程序代碼,或是
存放取自用戶輸入的數(shù)據(jù)等等。不過進程對這些內存的管理方式因內存用途不一
而不盡相同,有些內存是事先靜態(tài)分配和統(tǒng)一回收的,而有些卻是按需要動態(tài)分
配和回收的。
對任何一個普通進程來講,它都會涉及到5種不同的數(shù)據(jù)段。稍有編程知識的朋
友都該能想到這幾個數(shù)據(jù)段種包含有“程序代碼段”、“程序數(shù)據(jù)段”、“程序
堆棧段”等。不錯,這兒種數(shù)據(jù)段都在其中,但除了以上兒種數(shù)據(jù)段之外,進程
還另外包含兩種數(shù)據(jù)段。下面我們來簡單歸納一下進程對應的內存空間中所包含
的5種不同的數(shù)據(jù)區(qū)。
代碼段:代碼段是用來存放可執(zhí)行文件的操作指令,也就是說是它是可執(zhí)行程序
在內存種的鏡像。代碼段需要防止在運行時被非法修改,所以只準許讀取操作,
而不允許寫入(修改)操作——它是不可寫的。
數(shù)據(jù)段:數(shù)據(jù)段用來存放可執(zhí)行文件中已初始化全局變量,換句話說就是存放程
序靜態(tài)分配的變量和全局變量。
BSS段:BSS段包含了程序中未初始化全局變量,在內存中bss段全部置零。
堆(heap):堆是用于存放進程運行中被動態(tài)分配的內存段,它大小并不固定,
可動態(tài)擴張或縮減。當進程調用malloc等函數(shù)分配內存時,新分配的內存就被
動態(tài)添加到堆上(堆被擴張);當利用free等函數(shù)釋放內存時,被釋放的內存
從堆中被剔除(堆被縮減)。
棧:棧是用戶存放程序臨時創(chuàng)建的局部變量,也就是說我們函數(shù)括弧“{}”中定
義的變量(但不包括static聲明的變量,static意味這在數(shù)據(jù)段中存放變量)。
除此以外在函數(shù)被調用時,其參數(shù)也會被壓入發(fā)起調用的進程棧中,并且待到調
用結束后,函數(shù)的返回值也回被存放回棧中。由于棧的先進先出特點,所以棧
特別方便用來保存/恢復調用現(xiàn)場。從這個意義上將我們可以把堆??闯梢粋€臨
時數(shù)據(jù)寄存、交換的內存區(qū)。
靜態(tài)分配內存就是編譯器在編譯程序的時候根據(jù)源程序來分配內存.動態(tài)分配
內存就是在程序編譯之后,運行時調用運行時刻庫函數(shù)來分配內存的.靜態(tài)分
配由于是在程序運行之前,所以速度快,效率高,但是局限性大.動態(tài)分配在程
序運行時執(zhí)行,所以速度慢,但靈活性高。
術語〃BSS〃已經有些年頭了,它是blockstartedbysymbol的縮寫。因為未初
始化的變量沒有對應的值,所以并不需要存儲在可執(zhí)行對象中。但是因為C標準
強制規(guī)定未初始化的全局變量要被賦予特殊的默認值(基本上是0值),所以內
核要從可執(zhí)行代碼裝入變量(未賦值的)到內存中,然后將零頁映射到該片內存上,
于是這些未初始化變量就被賦予了0值。這樣做避免了在目標文件中進行顯式
地初始化,減少空間浪費(來自《Linux內核開發(fā)》)
我們在x86_64環(huán)境上運行以下經典程序:
#include<stdio.h>
#include<malloc.h>
#include<unistd.h>
intbss_var;
intdata_varO=l;
intmain(intargc,char**argv)
(
printf(z,belowareaddressesoftypesofprocess,smem\n,z);
printf(Z/Textlocation:\n,z);
printf(z,\tAddressofmain(CodeSegment):%p\nz,,main);
printf(z,\n〃);
intstack_var0=2;
printf(z?StackLocation:\n,z);
printf(z,\tlnitialendofstack:%p\nz/,&stack_varO);
intstack_varl=3;
printf(z,\tnewendofstack:%p\n/z,&stack_varl);
printf\n〃);
printf(z,DataLocation:\n,z);
printf(z,\tAddressofdata_var(DataSegment):%p\n,z,&data_varO);
staticintdata_varl=4;
printf(z,\tNewendofdata_var(DataSegment):%p\n,z,&data_varl);
printf(z,\n〃);
printf(Z,BSSLocation:\n,z);
printf(zz\tAddressofbss_var:%p\n,z,&bss_var);
printf(〃\n〃);
char*b=sbrk((ptrdiff_t)O);
printfC'HeapLocation:\n,z);
printf(z,\tlnitialendofheap:%p\n,/,b);
brk(b+4);
b=sbrk((ptrdiff_t)0);
printf(zz\tNewendofheap:%p\n〃,b);
return0;
運行結果:
[root@kolleraupdilogs]#./memory
belowareaddressesoftypesofprocess,smem
Textlocation:
Addressofmain(CodeSegment):0x400568
StackLocation:
Initialendofstack:0x7fff0e0dc544
newendofstack:0x7fff0e0dc540
DataLocation:
Addressofdata_var(DataSegment):0x600bfc
Newendofdata_var(DataSegment):0x600c00
BSSLocation:
Addressofbss_var:0x600cl4
HeapLocation:
Initialendofheap:0xb059000
Newendofheap:0xb059004
32x86_64體系新變化
AMDx86_64的出現(xiàn),給全新的64位的x86帶來了很多結構上的變化:
1)64位整型數(shù)
在X86-64中,所有通用寄存器(GPRs)都從32位擴充到了64位,名字也發(fā)生
了變化。8個通用寄存器(eax,ebx,ecx,edx,
ebp,esp,esi,edi)在新的結構中被命名為rax,rbx,rex,rdx,rbp,rsp,
rsi,rdi,它們都是64位的。呵呵,想當年,從16位擴充到32位時,同樣也
有一次名字的變化。所有算術邏輯操作、寄存器到內存的數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)在都能以
64位的整形類型進行操作。堆棧的壓棧和彈出操作都以8字節(jié)的單位進行,而
且指針類型也擁有了64位。
2)新增寄存器
在新的架構中,另外新增了8個通用寄存器:64位的r8,r9,rlO,rll,rl2,rl3,
rl4,rl5o這樣就有利與編譯器將函數(shù)參數(shù)、返回值等放在這些新增的GPR里面
進行傳遞,從而提高了程序的運行速度。同時,128位的MMX寄存器也從原來的
8個增加到了16個。
3)增大的邏輯地址空間
目前在新的架構中,應用程序可以擁有的邏輯地址空間從4GB增加到了256TB
(2~48),而且這一邏輯地址空間在未來可能增加到16EB
(2*64,1EB=1O24PB,1PB=1024TB,1TB=1O24GB)。
4)增大的物理地址空間
目前的X86-64架構,可以支持的物理內存擴展到了1TB(2*40),當然,在未
來該數(shù)字可以擴展到4PB(2"52)o相比于經過PAE技術擴展的i386的64GB物
理內存,新的架構帶來了不小的飛躍。
5)無縫使用SSE指令
新的架構借鑒和吸收了Intel的SSE、SSE2的核心指令,并在2005年加入了SSE3。
在這一新的架構下,可以不再需要x87浮點協(xié)處理器來完成浮點運算了。
6)NX位
跟PAE技術一樣,新的X86-64架構也在頁表項中增加了NX位,來幫助CPU判斷
該頁包含的內容是否是可以執(zhí)行的,從而避免借助"bufferoverrun”導致的病
毒攻擊。
7)去除舊的機制
在新架構的“長模式(longmode)”下,很多在IA32中被提出,但確不經常被
操作系統(tǒng)用到的一些機制不再被支持。這些機制包括段式地址變化機制(FS和
GS仍然被保留),任務轉移門(TSS)機制,以及虛擬86模式。當然,出于向
下兼容的考慮,X86-64在“傳統(tǒng)模式"(Legacymode)下,仍然對這些機制進
行了保留。
43x86_64段式管理
x86的兩種工作模式:實地址模式和虛地址模式(保護模式)。Linux主要工作
在保護模式下。
在保護模式下,64位x86體系架構的虛地址空間可達2c48Byte,即256TB,這
可比只能到達區(qū)區(qū)4GB的32位x86體系大多了。邏輯地址到線性地址的轉換由
x86分段機制管理。段寄存器CS、DS、ES、SS、FS或GS各標識一個段。這些段
寄存器作為段選擇器,用來選擇該段的描述符。
Linux中關于段描述符的宏定義集中在文件/arch/x86/include/asm/Segment.h
中,我們先貼出部分代碼:
32位的:
#defineGDT_ENTRY_KERNEL_BASE12/*
0x0000000cc=>1100*/
#defineGDT_ENTRY_KERNEL_CS(GDT_ENTRY_KERNEL_BASE+0)/*
0x0000000cc=>1100*/
#defineGDT_ENTRY_KERNEL_DS(GDT_ENTRY_KERNEL_BASE+1)/*
OxOOOOOOOdc=>1101*/
64位的:
#defineGDT_ENTRY_KERNEL32_CS1/*0x00000001*/
#defineGDT_ENTRY_KERNEL_CS2/*0x00000002*/
#defineGDT_ENTRY_KERNEL_DS3/*0x00000003*/
#define_KERNEL32_CS(GDT_ENTRY_KERNEL32_CS*8)/*
0x00000100*/
^defineGDT_ENTRY_DEFAULT_USER32_CS4/*0x00000004*/
#defineGDT_ENTRY_DEFAULT_USER?DS5/*0x00000005*/
#defineGDT_ENTRY_DEFAULT_USER_CS6/*0x00000006*/
#define_USER32_CS(GDT_ENTRY_DEFAULT_USER32_CS*8+3)/*
0x00000403*/
#define_USER32_DS_USER_DS
不管32位還是64位的:(我們只關心64位)
^define_KERNEL_CS(GDT_ENTRY_KERNEL_CS*8)/*0x00000200
*/
#define_KERNEL_DS(GDT_ENTRY_KERNEL_DS*8)/*0x00000300
*/
#define_USER_DS(GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_DS*8+3)/*
0x00000503*/
#define_USER?CS(GDT_ENTRY_DEFAULT_USER_CS*8+3)/*
0x00000603*/
看見沒有,我們熟悉的_USER_CS,_USER_DS,_KERNEL_CS,和_KERNEL_DS,
就是傳說中的段選擇子。
我們看到,內核代碼段的描述子存放在以0x200為基地址的內存單元中,占8
個字節(jié)。同樣,內核數(shù)據(jù)段、用戶代碼段、用戶數(shù)據(jù)段分別存放在
以0x300、0x500、0x600為基地址的內存單元中。我們注意到,_USER_DS和
_USER_CS的最低三位為3,也就是011,這正說明
其CPL位為11,代表用戶模式,TI為0,代表GDT。
對于x86_64來說,虛擬地址由16位選擇子和64位偏移量組成,段寄存器僅僅
存放選擇子。CPU的分段單元(SU)執(zhí)行以下操作:
[1]先檢查選擇子的TI字段,以決定描述子對應的描述子保存在哪一個描述符
表中。TI字段指明描述子是在GDT中(在這種情況下,分段單元從gdtr寄存器
中得到GDT的線性基地址)還是在激活的LDT中(在這種情況下,分段單元從
Idtr寄存器中得到LDT的線性基地址)。
[2]從選擇子的13位index字段計算描述子的地址,index字段的值乘以8(一
個描述子的大小,其實就是屏蔽掉末尾那三位指示特權級的CPL和指示TI的字
段),這個結果與gdtr或Idtr寄存器中的內容相加。
[3]將對應的段描述子從內存拷貝到CPU的影子Cache中,這樣,只有在選擇子
改變的情況下才會修改影子Cache中的內容。
[4]把虛擬地址的偏移量與隱Cache中描述子Base字段的值相加就得到了線性
地址。
例如,為了對內核代碼段尋址,內核只需要把_KERNEL_CS宏產生的選擇子的值
裝進cs段寄存器即可。注意,與段相關的線性地址還是從
0開始,達到264T的尋址限長。這就意味著在用戶態(tài)或內核態(tài)下的所有進程
任然使用相同的虛擬地址,這就是傳說中的“基本平坦模式”。
按照這個模式,虛擬地址跟線性地址數(shù)字一?樣,唯一-的不同就是CS和DS裝的內
容不同,可能是KERNEL級別的選擇子,也可能是USER級別
的選擇子。
54x86_64分頁管理
雖然邏輯地址擴展到了64位,但是,現(xiàn)有的設計并沒有完全用到這64位的空間
(2*64=16EB),因為使用到如此大的空間,勢必造成很大的系統(tǒng)開銷。AMD64
在設計的時候就決定在x86_64的第一階段,只用這64位中的低48位來做頁式
地址轉換,高16位(48-64位)將填充第47位相同的內容(這種方式類似于符
號擴展)。如果邏輯地址不符合此規(guī)定,系統(tǒng)將產生異常。符合此規(guī)定的地址稱
為canonicalform,地址的范圍分為兩段:0到00007FFF-FFFFFFFF,以及FFFF8
構,也為操作系統(tǒng)的設計帶來了一定便利:可以取地址的上半段保留做為操作
系統(tǒng)的邏輯地址空間,而低地址部分做為裝載應用程序的空間,而canonical
form不允許的地址空間則做為操作系統(tǒng)的標志、以及特權級的標識等。當然,
這樣的設計在未來地址進一步擴展的時候將成為一個新的問題。
采用64位地址空間的X86-86被稱為是運行在“長模式"(longmode)下,該
模式可以看成是對PAE模式的一個擴充。長模式允許使用三個不同的物理頁面大
小:4KB、2MB和1GB。在使用64位中的48位用來存放地址時,與PAE模式下
的三級頁面映射機制不同的是,長模式下線性地址到物理地址的映射需要經過四
級地址映射。在這四級地址映射機制中,原來PAE模式下僅擁有4個表項的頁
目錄指針表被擴展到512個表項。同時,在最末一級加入一?級新的頁面映射結構,
該結構被稱為第四級頁表(MapLevel4Table,PML4),它跟PAE模式下
的頁目錄及頁表(在長模式中,成為了頁目錄)一樣,擁有512個表項。如果地
址進一步擴充,如把64位尋址全部用上,該頁表就能夠擴充到33,554,432個
表項,或者干脆再加一層地址映射(PML5),當然,按照目前只用了48位的情
況下,用到512個表項的PML4就已經夠用了。
可以想象,用到48位的X86-64虛擬地址的分配機制為:
-0—11(12)位:頁內偏移;
-12-20(9)位:由PML4來映射;
-21-29(9)位:高一級頁目錄來映射(如果PS=1,則該頁表項指向一個2MB
的頁);
-30-38(9)位:再高一級的頁目錄來映射(如果PS=2,則該頁表項指向一個
1GB的頁);
-39—47(9)位:頁目錄指針表來映射。
X86-64的長模式下,對16位以及32位代碼進行了兼容,即使CPU上跑的是64
位的操作系統(tǒng),歷史遺留的16位以及32位代碼將都能夠在該操作系統(tǒng)上運行。
由于X86-64兼容IA32的指令,所以,這些代碼在這種情況下運行,基本上沒有
性能損耗。
在傳統(tǒng)模式(Legacymode)下,x86-64的CPU的工作模式跟傳統(tǒng)的IA32沒有
什么兩樣。
6堆的管理譴
一般人喜歡把堆和棧來做對比,網(wǎng)上資料也很多,這里我只分享一下我本人的理
解。堆這個東西跟棧沒有直接的關聯(lián),它只給程序員提供一個手工分配和釋放的
內存空間,僅此而已。
對于每個Unix進程來說,都擁有一個特殊的線性區(qū),這個線性區(qū)就是所謂的堆
(heap),堆用于滿足進程的動態(tài)內存請求。內存描述符的start_brk與brk
字段分別限定了這個區(qū)的開始地址和結束地址。
進程可以使用下面的C語言API來請求和釋放動態(tài)內存:
malloc(size)
請求size個字節(jié)的動態(tài)內存。如果分配成功,就返回所分配內存單元第一
個字節(jié)的線性地址。
calloc(n,size)
請求含有n個大小為size的元素的一個數(shù)組。如果分配成功,就把數(shù)組元
素初始化為0,并返回第一個元素的線性地址。
realloc(ptr,size)
改變由前面的malloc?;騝alloc()分配的內存區(qū)字段的大小。
free(addr)
釋放由mallocO或calloc。分配的起始地址為addr的線性區(qū)。
brk(addr)
直接修改堆的大小。addr參數(shù)指定current->mm->brk的新值,返回值是線
性區(qū)新的結束地址(進程必須檢查這個地址和所請求的地址值addr是否致)。
sbrk(incr)
類似于brk(),不過其中的incr參數(shù)指定是增加還是減少以字節(jié)為單位的
堆大小。
brk()函數(shù)和以上列出的函數(shù)有所不同,因為它是唯一以系統(tǒng)調用的方式實現(xiàn)的
函數(shù),而其他所有的函數(shù)都是使用brk()和mmap()系統(tǒng)調用實現(xiàn)的C語言庫函數(shù)。
當用戶態(tài)的進程調用brk()系統(tǒng)調用時,內核執(zhí)行sys_brk(addr)函數(shù)。該函數(shù)
首先驗證addr參數(shù)是否位干進程代碼所在的線性區(qū)。如果是,則立即返回,
因為堆不能與進程代碼所在的線性區(qū)重疊:
mm=current->mm;
down_write(&.mm->mmap_sem);
if(addr<mm->end_code){
out:
up_write(&mm->mmap_sem);
returnmm->brk;
由于brk()系統(tǒng)調用作用于某一個非代碼的線性區(qū),它分配和釋放完整的頁。
因此,該函數(shù)把addr的值調整為PAGE_SIZE的倍數(shù),然后把調整的結果與內存
描述符的brk字段的值進行比較:
newbrk=(addr+Oxfff)&OxfffffOOO;
oldbrk=(mm->brk+Oxfff)&OxfffffOOO;
if(oldbrk==newbrk){
mm->brk=addr;
gotoout;
如果進程請求縮小堆,則sys_brk()調用do_munmap()函數(shù)完成這項任務,然后
返回:
if(addr<=mm->brk){
if(!do_munmap(mm,newbrk,o1dbrk-newbrk))
mm->brk=addr;
gotoout;
如果進程請求擴大堆,則sys_brk()首先檢查是否允許進程這樣做。如果進程企
圖分配在其跟制范圍之外的內存,函數(shù)并不多分配內存,只簡單地返回mm->brk
的原有值:
rlim=current->signal->rlim[RLIMIT_DATA].rlim_cur;
if(rlim<RLIM_INFINITY&&addr-mm->start_data>rlim)
gotoout;
然后,函數(shù)檢查擴大后的堆是否和進程的其他線性區(qū)相重疊,如果是,不做任何
事情就返回:
if(find_vma_intersection(mm,oldbrk,newbrk+PAGE_SIZE))
gotoout;
如果一切都順利,則調用do_brk()函數(shù)。如果它返回oldbrk,則分配成功且
sys_brt()函數(shù)返回addr的值;否則,返回舊的mm->brk值:
if(do_brk(oldbrk,newbrk-oldbrk)==oldbrk)
mm->brk=addr;
gotoout;
do_brk()函數(shù)實際上是僅處理匿名線性區(qū)的do_mmap()的簡化版。可以認為它的
調論等價于:
dommap(NULL,oldbrk,newbrk-oldbrk,
PR0T_READ|PROT__WRITE|PR0T_EXEC,
MAP_FIXED|MAP_PRIVATE,0)
當然,do_brk()比do_mmap()稍快,因為前者假定線性區(qū)不映射磁盤上的文件,
從而避免亍檢查線性反對象的兒個字段。
7創(chuàng)建和刪除進程的地址空間收藏
本博,我們重點關注fork。系統(tǒng)調用為子進程創(chuàng)建一個完整的新地址空間。相
反,當進程結束時,內核撤消它的地址空間。我們重點來討論Linux如何執(zhí)行這
兩種操作。
81創(chuàng)建進程的地址空間
回憶一下“進程的創(chuàng)建——dofork。函數(shù)詳解”博文:當創(chuàng)建一個新的進程
時內核調用copy_mm()函數(shù)。這個函數(shù)通過建立新進程的所有頁表和內存描述符
來創(chuàng)建進程一的地址空間:
staticintcopy_mm(unsignedlongclone_flags,structtaskstruct*tsk)
{
structmmstruct*mm,*oldmm;
intretval;
tsk->min_fIt=tsk->maj_fIt=0;
tsk->nvcsw=tsk->nivcsw=0;
tsk->mm=NULL;
tsk->active_mm=NULL;
/*
*Arewecloningakernelthread?
*
*WeneedtostealaactiveVMforthat..
*/
oldmm=current->mm;
if(!oldmm)
return0;
if(clone_flags&CLONE_VM){
atomicinc(&o1users);
mm=oldmm;
gotogood_mm;
)
retval=-ENOMEM;
mm=dup_mm(tsk);
if(!mm)
gotofailnomem;
goodmm:
tsk->mm=mm;
tsk->active_mm=mm;
return0;
fail_nomem:
returnretval;
}
通常,每個進程都有自己的地址空間,但是輕進程可以通過調用clone。函數(shù)(設
置了CL0NE_VM標志)來創(chuàng)建。這些輕量級進程共享同一?地址空間,也就是說,
允許它們對同一組頁進行尋址。
按照前面講述的“寫時復制”方法,傳統(tǒng)的進程繼承父進程的地址空間,只要
頁是只讀的,就依然共享它們。當其中的一個進程試圖對某個頁進行寫時,此時,
這個頁才被復制一份。一段時間之后,所創(chuàng)建的子進程通常會因為缺頁異常而獲
得與父進程不一樣的完全屬于自己的地址空間。
另一方面,輕量級的進程使用父進程的地址空間。Linux實現(xiàn)輕量級進程很簡單,
即不復制父進程地址空間。創(chuàng)建輕量級的進程(clone)比創(chuàng)建普通進程相應要
快得多,而且只要父進程和子進程謹慎地協(xié)調它們的訪問,就可以認為頁的共享
是有益的。
如果通過clone()系統(tǒng)調用已經創(chuàng)建了新進程,并且flag參數(shù)的CLONE_VM標志
被設置,則copy_mm()函數(shù)把父進程(current)地址空間給子進程(tsk):
if(clone_flags&CL0NE_VM){
atomic_inc(&o1dmm->mm_users);
mm=oldmm;
gotogood_mm;
good_mm:
tsk->mm=mm;
tsk->active_mm=mm;
return0;
如果沒有設置CLONE_VM標志,copy_mm()函數(shù)就必須創(chuàng)建一個新的地址空間(在
進程請求一個地址之前,即使在地癥空間內沒有分配內存):
mm=dup_mm(tsk);
dup_mm()函數(shù)分配一個新的內存描述符,把它的地址存放在新進程描述符tsk
的mm字段中,并把current->min的內容復制到tsk->mm中。然后改變新進程描
述符的一些字段:
staticstructmm_struct*dupmm(structtask_struct*tsk)
{
structmm_struct*mm,*oldmm=current->mm;
interr;
if(!oldmm)
returnNULL;
mm二allocate_mm();
if(!mm)
gotofailnomem;
memcpy(mm,oldmm,sizeof;
if(!mminit(mm))
gotofail_nomem;
if(init_new_context(tsk,mm))
gotofail_nocontext;
err二dup_mmap(mm,oldmm);
if(err)
gotofree_pt;
mm->hiwater_rss=get_mm_rss(mm);
mm->hiwater_vm=mm->total_vm;
returnmm;
free_pt:
mmput(mm);
fail_nomem:
returnNULL;
fail_nocontext:
free_mm_flags(mm);
mm_free_pgd(mm);
free_mm(mm);
returnNULL;
}
ttdefineallocate_mmO(kmem_cache_alloc(mmcachep,SLABKERNEL))
函數(shù)首先使用allocatemm()函數(shù)調用kmem_cache_alloc(mmcachep,
SLAB_KERNEL)從slab中分配一個mm_struct結構,然后調用mm_init對其進行
初始必
staticstructmm_struct*mminit(structmm_struct*mm)
(
unsignedlongmm_flags;
atomic_set(&mm->mm_users,1);
atomic_set(&mm->mm_count,1);
init_rwsem(&mm->mmap_sem);
INIT_LIST_HEAD(&mm->innilist);
mm->core_waiters=0;
mm->nr_ptes=0;
set_mm_counter(mm,file_rss,0);
set_mm_counter(mm,anon_rss,0);
spin_lock_init(&mm->page_table_lock);
rwlockinit(&mm->ioctx_list_lock);
mm->ioctx_list=NULL;
mm->free_area_cache=TASK_UNMAPPED_BASE;
mm->cached_hole_size=~OUL;
mm_flags=get_mm_flags(current->mm);
if(mm_flags!=MMF_DUMP_FILTER_DEFAULT){
if(uniikely(set_mm_flags(mm,mm_flags,0)<0))
gotofail_nomem;
)
if(likely(!mm_a11oc_pgd(mm))){
mm->def_flags=0;
mmu_notifier_mm_init(mm);
returnmm;
if(mm_flags!=MMF_DUMP_FILTER_DEFAULT)
free_mm_flags(mm);
fail_nomem:
free_mm(mm);
returnNULL;
)
回想一下,mmallocpgd()調用pgd_alloc()宏為新進程分配一個全新的頁全局
目錄:(/arch/i386/mm/Pgtable.c)
staticinlineintmm_alloc_pgd(structmmstruct*mm)
(
mm->pgd=pgd_alloc(mm);
if(unlikely(!mm->pgd))
return-ENOMEM;
return0;
)
pgd_t*pgd_alloc(structmm_struct*mm)
(
inti;
pgd_t*pgd=kmem_cache_alloc(pgd_cache,GFPKERNEL);
if(PTRS_PER_PMD==1||!pgd)
returnpgd;
for(i=0;i<USER_PTRS_PER_PGD;++i){
pmd_t*pmd=kmem_cache_alloc(pmd_cache,GFP_KERNEL);
if(!pmd)
gotoout_oom;
set_pgd(&pgd[i],_pgd(l+_pa(pmd)));
)
returnpgd;
out_oom:
for(i--;i>=0;i--)
kmem_cache_free(pmd_cache,(void*)_va(pgd_val(pgd[i])~l));
kmem_cache_free(pgd_cache,pgd);
returnNULL;
}
SdefineUSER_PTRS_PER_PGD(TASK_SIZE/PGDIR_SIZE)
ttdefinePGDIR_SIZE(1UL?PGDIR_SHIFT)
SdefinePGDIR_SHIFT22
#defineTASKSIZE(PAGE_OFFSET)/*Userspaceprocesssize:3GB
(default).*/
注意,執(zhí)行完mm_a芯oc_pgd()函數(shù)之后,子進程的pgd和pmd有了(32位i386
體系結構),但是pte是沒有的,后面的工作需要dupjnmapO函數(shù)來完成,馬
上會談到。
接著來,隨后調用依賴于體系結構的init_new_context()函數(shù):對于80x86處
理器,該函數(shù)檢查當前進程是否擁有定制而局而描述符表,如果是,
init_new_context()復制一份current的局部描述符表并把它插入tsk的地址空
間:
intinit_new_context(structtask_struct*tsk,structmm_struct*mm)
(
structmmstruct*old_mm;
intretval=0;
init_MUTEX(&mm->context.sem);
mm->context.size=0;
old_mm=current->mm;
if(old_mm&&old_mm->context.size>0){
down(&old_mm->context.sem);
retval=copy_ldt(&mm->context,&old_mm->context);
up(&old_mm->context.sem);
)
returnretval;
)
下一個重點步驟:err=dup_mmap(mm,oldmm):
staticinlineintdupmmap(structmm_struct*mm,structmm_struct*oldmm)
{
structvm_area_struct*mpnt,*tmp,**pprev;
structrb_node**rb_link,*rb_parent;
intretval;
unsignedlongcharge;
structmempolicy*pol;
down_write(&oldmm->mmap_sem);
flush_cache_mm(oldmm);
/*
*Notlinkedinyet-nodeadlockpotential:
*/
down_write_nested(&mm->mmap_sem,SINGLE_DEPTH_NESTING);
mm->locked_vm=0;
mm->mmap=NULL;
mm->mmap_cache=NULL;
mm->free_area_cache=oldmm->mmap_base;
mm->cached_ho1e_size=~OUL;
mm->map_count=0;
cpus_clear(mm->cpu_vm_mask);
mm->mm_rb=RBROOT;
rb_link=rb_node;
rb_parent=NULL;
pprev=&mm->mmap;
for(mpnt=oldmm->mmap;mpnt;mpnt=mpnt->vm_next){
structfile
if(mpnt->vm_flags&VM_DONTCOPY){
longpages=vma_pages(mpnt);
mm->total_vm-二pages;
vm_stat_account(mm,mpnt->vm_flags,mpnt->vm_file,
s);
continue;
)
charge=0;
if(mpnt->vm_flags&VM_ACCOUNT){
unsignedintlen=(mpnt->vm_end-mpnt->vm_start)?
PAGE_SHIFT;
if(security_vm_enough_memory(1en))
gotofail_nomem;
charge=len;
}
tmp=kmem_cache_alloc(vm_area_cachep,SLAB_KERNEL);
if(!tmp)
gotofail_nomem;
*tmp=*mpnt;
pol=mpol_copy(vma_policy(mpnt));
retval=PTR_ERR(pol);
if(IS_ERR(pol))
gotofail_nomempolicy;
vma_set_po1icy(tmp,pol);
tmp->vm_flags&="VM_L0CKED;
tmp->vm_mm=mm;
tmp->vm_next=NULL;
anon_vma_link(tmp);
file=tmp->vm_file;
if(file){
structinodebinode=file->f_dentry->d_inode;
get_file(file);
if(tmp->vm_flags&VM_DENYWRITE)
atomic_dec(&inode->i_writecount);
/*inserttmpintothesharelist,justaftermpnt*/
spinlock(&file->f_mapping->i_mmap_lock);
tmp->vm_truncate_count=mpnt->vm_truncate_count;
flushdcachemmap_lock(file->fmapping);
vma_prio_tree_add(tmp,mpnt);
flushdcachemmap_unlock(file->f_mapping);
spin_unlock(&fi1e->f_mapping->i_mmap_lock);
}
/*
*Linkinthenewvmaandcopythepagetableentries.
*/
*pprev=tmp;
pprev=&tmp->vm_next;
_vma_link_rb(mm,tmp,rb_link,rb_parent);
rb_link=&tmp->vm_rb.rb_right;
rb_parent=&tmp->vmrb;
mm->map_count++;
retval=copyjpage_range(mm,oldmm,mpnt);
if(tmp->vm_ops&&tmp->vm_ops->open)
tmp->vmops->open(tmp);
if(retval)
gotoout;
}
#ifdefarch_dup_mmap
arch_dup_mmap(mm,oldmm);
Sendif
retval=0;
out:
upwrite(&mm->mmapsem);
f1ush_11b_mm(o1dmm);
upwrite(&oldmm->mmap_sem);
returnretval;
fail_nomem_policy:
kmem_cache_free(vm_area_cachep,tmp);
fail_nomem:
retval=-ENOMEM;
vm_unacct_memory(charge);
gotoout;
}
dup_mmap()函數(shù)既復制父進程的線性區(qū),也復制父進程的頁表。
然后,從current->mm->mmap所指向的線性區(qū)開始掃描父進程的線性區(qū)鏈表:
for(mpnt=oldmm->mmap;mpnt;mpnt=mpnt->vm_next)
它復制遇到的每個vm_area_struct線性區(qū)描述符,并把復制品插入到子進程的
線性區(qū)鏈表和紅-黑樹中:
tmp=kmem_cache_alloc(vm_area_cachep,SLABKERNEL);
*tmp=*mpnt;/*完全復制,這個技巧在這里又用到了*/
rb_link=rb_node;
rbparent=NULL;
_vma_link_rb(mm,tmp,rb_link,rb_parent);
rb_link=&tmp->vm_rb.rb_right;
rb_parent=&tmp->vm_rb;
在插入一個新的線性區(qū)描述符之后,如果需要的話,dup_mmap()立即調用
copy_page_range()創(chuàng)建必要的頁表來映射這個線性區(qū)所包含的一組頁,并且初
始化新頁袤的表項。尤其是,與私有的、可寫的頁(VM_SHARED標志關閉,
VM—MAYWRITE標志打開)所對應的任一頁框都標記為對父子進程是只讀的,以
便這種頁框能用寫時復制機制進行處理:
intcopypage_range(structmmstruct*dst_mm,structmm_struct*src_mm,
structvm_area_struct*vma)
(
pgd_t*src_pgd,*dst_pgd;
unsignedlongnext;
unsignedlongaddr=vma->vm_start;
unsignedlongend=vma->vm_end;
intret;
/*
*Don,tcopypteswhereapagefaultwillfillthemcorrectly.
*Forkbecomesmuchlighterwhentherearebigsharedorprivate
*readonlymappings.Thetradeoffisthatcopy_page_rangeismore
*efficientthanfaulting.
*/
if(!(vma->vm_flags&
(VM_HUGETLB|VM_NONLINEAR|VM_PFNMAP|VM_INSERTPAGE))){
if(!vma->anon_vma)
return0;
if(is_vm_huge11b_page(vma))
returncopyhugetlb_page_range(dstmm,srcmm,vma);
/*
*WeneedtoinvalidatethesecondaryMMUmappingsonlywhen
*therecouldbeapermissiondowngradeontheptesofthe
*parentmm.Andapermissiondowngradewillonlyhappenif
*is_cow_mapping()returnstrue.
*/
if(is_cow_mapping(vma->vm_flags))
mmu_notifier_invalidate_range_start(src_mm,addr,end);
ret=0;
dst_pgd=pgdoffset(dstmm,addr);
src_pgd=pgd_offset(src_mm,addr);
do{
next=pgd_addr_end(addr,end);
if(pgd_none_or_c1ear_bad(src_pgd))
continue;
if(unlikely(copy_pud_range(dst_mm,srcmm,dst_pgd,srcpgd,
vma,addr,next))){
ret=-ENOMEM;
break;
}
}while(dst_pgd++,src_pgd++,addr=next,addr!=end);
if(is_cow_mapping(vma->vm_flags))
mmu_notifier_invalidate_range_end(src_mm,
vma->vm_start,end);
returnret;
)
staticinlineintcopy_pud_range(structmm_structstruct
mm_struct*src_mm,
pgd_t*dst_pgd,pgd_t*src_pgd,structvm_area_struct*vma,
unsignedlongaddr,unsignedlongend)
(
pud_t*src_pud,*dst_pud;
unsignedlongnext;
dst_pud=pud_alloc(dst_mm,dst_pgd,addr);
if(!dst_pud)
return-ENOMEM;
src_pud=pud_offset(src_pgd,addr);
do{
next=pud_addr_end(addr,end);
if(pud_none_or_clear_bad(src_pud))
continue;
if(copy_pmd_range(dst_mm,src_mm,dst_pud,src_pud,
vma,addr,next))
return-ENOMEM;
}while(dst_pud++,src_pud++,addr=next,addr!=end);
return0;
)
staticinlineintcopy_pmd_range(structmm_struct*dst_mm,struct
mm_struct*src_mm,
pud_t*dst_pud,pud_t*src_pud,structvm_area_struct*vma,
unsignedlongaddr,unsignedlongend)
{
pmd_t*src_pmd,*dst_pmd;
unsignedlongnext;
dst_pmd=pmd_alloc(dst_mm,dst_pud,addr);
if(!dst_pmd)
return-ENOMEM;
src_pmd=pmd_offset(src_pud,addr);
do{
next=pmd_addr_end(addr,end);
if(pmd_none_or_c1ear_bad(src_pmd))
continue;
if(copy_pte_range(dst_mm,src_mm,dst_pmd,src_pmd,
vma,addr,next))
return-ENOMEM;
}while(dst_pmd++,src_pmd++,addr=next,addr!=end);
return0;
staticintcopy_pte_range(structmm__structstructmm_struct
*src_mm,
pmd_t*dst_pmd,pmd_t*src_pmd,structvm_area_struct*vma,
unsignedlongaddr,unsignedlongend)
pte_t*src_pte,*dst_pte;
spinlock_t*src_ptl,*dst_ptl;
intprogress=0;
intrss[2];
again:
rssEl]=rss[0]=0;
dst_pte=pte_alloc_map_lock(dst_mm,dst_pmd,addr,&dst_ptl);
if(!dst_pte)
return-ENOMEM;
src_pte=pte_offset_map_nested(src_pmd,addr);
src_ptl=pte_lockptr(src_mm,src_pmd);
spin_lock_nested(src_ptl,SINGLE_DEPTH_NESTING);
do{
/*
*Weareholdingtwolocksatthispoint-eitherofthem
*couldgeneratelatenciesinanothertaskonanotherCPU.
*/
if(progress>=32){
progress=0;
if(need_resched()
need_lockbreak(src_ptl)
needlockbreak(dst_ptl))
break;
)
if(pte_none(*src_pte)){
progress++;
continue;
)
copy_one_pte(dstmm,src_mm,dst_pte,src_pte,vma,addr,rss);
progress+=8;
}while(dst_pte++,src_pte++,addr+二PAGE_SIZE,addr!=end);
spin_unlock(src_ptl);
pte_unmap_nested(src_pte-1);
add_mm_rss(dst_mm,rss[0],rss[l]);
pte_unmap_unlock(dst_pte-1,dst_ptl);
cond_resched();
if(addr!=end)
gotoagain;
return0;
staticinlinevoid
copy_one_pte(structmmstructstructmm_struct*src_mm,
pte_t*dst_pte,pte_t*src_pte,structvm_area_struct*vma,
unsignedlongaddr,int*rss)
(
unsignedlongvm_flags=vma->vm_flags;
pte_tpte=*src_pte;
structpage*page;
/*ptecontainspositioninswaporfile,socopy.*/
if(unlikely(!pte_present(pte))){
if(!pte_file(pte)){
swp_entry_tentry=pte_to_swp_entry(pte);
swap_duplicate(entry);
/*makesuredst_mmisonswapoff,smmlist.*/
if(unlikely(list_empty(&dst_mm->mmlist))){
spin_lock(&mmlist_lock);
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