虛空間管理

頁框和頁的關系

頁框

將內存空間分為一個個大小相等的分區(比如:每個分區4KB),每個分區就是一個頁框，也叫頁幀，即物理頁面，是linux劃分內存空間的結果。
每個頁框都有一個頁框號，即內存塊號、物理塊號。

頁

將用戶進程的地址空間也分為與頁框大小相等的一個個區域,稱為頁或頁面，即虛擬頁面，是linux劃分地址空間的結果。
每個頁面都有一個頁號

頁、頁表項、頁表、頁目錄項、頁目錄的關系參考：
計算機體系結構——虛擬內存技術

CSDN：基本分頁存儲管理的基本概念

線性區

當用戶態進程動態請求內存時，linux并不會直接分配物理頁框，而是先分配一段新的虛擬地址空間的使用權。

CSDN：進程地址空間 - VMA線性區

PCB中內存信息數據結構

主要的數據結構

mm_struct

mm是進程控制塊中的一個成員，表示了該進程的內存信息。
每個進程都有自己的頁目錄、頁表項等信息

*pgd: 一級頁表的起始地址
*mmap：指向進程的第一個VMA
mm_rb：指向紅黑樹的根

vm_area_struct

線性區，表示用戶虛空間中的一塊連續區域，可以簡稱為vma。
數據結構成員包括權限信息等。
vm_rb->rb_left指針指向相鄰的低地址VMA，vm_rb->rb_right指向相鄰的高地址VMA¹

page

頁框描述符，描述了頁框的類型（匿名頁還是文件頁）

mem_map：描述了所有頁框，連續存放。

file

頁高速緩存，以文件為管理單位：緩存的頁框屬于某個文件
硬盤數據頁的高速緩存，放在頁框中；

address_space

address_space：記錄映射到本文件（某一區間）的所有線性區，這些線性區按其區間組織為一顆優先搜索樹。

page_tree：文件的所有緩存頁框的描述符構成一顆基樹，該結構體表示基樹的根節點，如果最低位為1，表示指向的是一個radix_tree_node對象

anon_vma

anon_vma數據結構，鏈接了page和anon_vma，實質上和anon_vma_chain共同鏈接了的page數據結構和VMA的vm_area_struct數據結構

anon_vma_chain

anon_vma_chain鏈接了anon_vma和vma

rb_node 和 rb_root

radix_tree_node

path：該節點的頁節點數
count：表示有效頁框描述符地址的數量

數據結構關系

數據結構關系圖：

鏈表關系

所有的page構成一顆基樹

頁框描述符紅黑樹
通過page->index可以快速找到其他page地址

vma紅黑樹
所以進程的VMAs組成一個雙向鏈表

反向映射

正向映射：頁號 → 頁框號，即通過虛擬頁號查找物理頁號
反向映射：頁框號 → 進程號和頁號的集合，即在已知物理頁面(page frame)的情況下，找到映射該物理頁面的虛擬頁。

反向映射使用場景

反向映射通常在頁框回收時需要此功能，例如

1. 當內存空間不足時，有些頁面長時間不適用，需要交換到磁盤
2. 有些頁面需要遷移

工作原理

當上述使用場景需要反向映射時，linux為了快速定位映射到該物理頁的頁表項，通過頁框號查找頁框描述符，通過頁框描述符中的mapping確定是匿名頁還是文件頁，并根據mapping的值

t

父進程為自己的進程空間VMA分配物理頁面的時，會產生匿名頁面

匿名頁和文件頁

二者均是頁框的類型。

匿名頁

不屬于文件的頁高速緩存，沒有關聯到文件頁，不是以文件形式存在，無法和磁盤文件交換
匿名頁面是線性區的一種類型，映射到anon_vma對象（該對象關聯了進程為對應線性區申請的一組匿名頁框，并記錄了使用這些頁框的所有線性區）
mapping的最低位為1.

匿名頁反向映射結構圖²：

文件頁

映射文件的頁，即某個文件的也高速緩存。程序可以通過read/write/mmap去操作，此時在內存中會申請page cache來緩存硬盤內容，因此該內容及存在于內存，也存在于外存中
屬于某個address_space對象（該對象記錄使用該文件頁高速緩存的所有線性區）
mapping!=0，但mapping的最低位為0。

文件頁反向映射結構圖²

linux內存管理筆記(三十四）----匿名映射

參考文獻

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1. 紅黑樹的應用：Linux內核虛擬內存的管理 ??

2. CSDN：linux內存管理筆記(三十八）----反向映射 ?? ??