Разработка ядра Linux

Лав Роберт

вывода, используемый по умолчанию */

};

Поле

mm_users

— это количество процессов, которые используют данное адресное пространство. Например, если одно и то же адресное пространство совместно используется двумя потоками, то значение поля

mm_users

равно двум. Поле

mm_count

 — это основной счетчик использования структуры

mm_struct

. Наличие пользователей структуры, которым соответствует поле

mm_users

, приводит к увеличению счетчика

mm_count

на единицу. В предыдущем примере значение поля

mm_count

равно единице. Когда значение поля

mm_users

становится равным нулю (т.е. когда два потока завершатся), только тогда значение поля

mm_count

уменьшается на единицу. Когда значение поля mm_count становится равным нулю, то на соответствующую структуру

mm_struct

больше нет ссылок, и она освобождается, Поддержка двух счетчиков позволяет ядру отличать главный счетчик использования (

mm_count

) от количества процессов, которые используют данную структуру (

mm_users

).

Поля

mmap

и

mm_rb

— это два различных контейнера данных, которые содержат одну и ту же информацию: информацию обо всех областях памяти в соответствующем адресном пространстве. В первом контейнере эта информация хранится в виде связанного списка, а во втором — в виде красно-черного бинарного дерева. Поскольку красно-черное дерево — это разновидность бинарного дерева, то, как и для всех типов бинарного дерева, количество операций поиска заданного элемента в нем равно О(log(n)). Более детальное рассмотрение красно-черных деревьев найдете в разделе "Списки и деревья областей памяти".

Хотя обычно в ядре избегают избыточности, связанной с введением нескольких структур для хранения одних и тех же данных, тем не менее в данном случае эта избыточность очень кстати. Контейнер

mmap

— это связанный список, который позволяет очень быстро проходить по всем элементам. С другой стороны, контейнер

mm_rb

— это красно-черное дерево, которое очень хорошо подходит для поиска заданного элемента. Области памяти будут рассмотрены в этой главе несколько ниже,

Все структуры

mm_struct

объединены в двухсвязный список с помощью нолей

mmlist

. Первым элементом этого списка является дескриптор памяти

init_mm

, который является дескриптором памяти процесса init. Этот список защищен от конкурентного доступа с помощью блокировки

mmlist_lock

, которая определена в файле

kernel/fork.с

. Общее количество дескрипторов памяти хранится в глобальной целочисленной переменной

mmlist_nr

, которая определена в том же файле.

Выделение дескриптора памяти

Указатель на дескриптор памяти, выделенный для какой-либо задачи, хранится в поле

mm

дескриптора процесса этой задачи. Следовательно, выражение

current->mm

позволяет получить дескриптор памяти текущего процесса. Функция

copy_mm

используется для копирования дескриптора родительского процесса в дескриптор порожденного процесса во время выполнения вызова

fork

. Структура

mm_struct

выделяется из слябового кэша

mm_cachep

с помощью макроса

allocate_mm

. Это реализовано в файле

kernel/fork.c

. Обычно каждый процесс получает уникальный экземпляр структуры

mm_struct

и соответственно уникальное адресное пространство.

Процесс может использовать одно и то же адресное пространство совместно со своими порожденными процессами, путем указания флага

CLONE_VM

при выполнении вызова

clone

. Такие процессы называются потоками. Вспомните из материала главы 3, "Управление процессами", что в операционной системе Linux в этом и состоит единственное существенное отличие между обычными процессами и потоками. Ядро Linux больше никаким другим образом их не различает. Потоки с точки зрения ядра — это обычные процессы, которые просто совместно используют некоторые общие ресурсы.

В случае, когда указан флаг

CLONE_VM

, макрос

allocate_mm

не вызывается, а в поле mm дескриптора порожденного процесса записывается значение указателя на дескриптор памяти родительского процесса. Это реализовано с. помощью следующего оператора ветвления в функции

сору_mm

.

if (clone_flags & CLONE_VM) {

 /*

 * current — это родительский процесс

 * tsk —

это процесс, порожденный в вызове fork

 */

 atomic_inc(&current->mm->mm_users);

 tsk->mm = current->mm;

}

Удаление дескриптора памяти

Когда процесс, связанный с определенным адресным пространством, завершается, то вызывается функция

exit_mm

. Эта функция выполняет некоторые служебные действия и обновляет некоторую статистическую информацию. Далее вызывается функция

mput

, которая уменьшает на единицу значение счетчика количества пользователей

mm_users

для дескриптора памяти. Когда значение счетчика количества пользователей становится равным нулю, то вызывается функция

mmdrop

, которая уменьшает значение основного счетчика использования

mm_count

. Когда и этот счетчик использования наконец достигает нулевого значения, то вызывается функция

free_mm

, которая возвращает экземпляр структуры

mm_struct

в слябовый кэш

mm_cachep

с помощью вызова функции

kmem_cache_free

, поскольку дескриптор памяти больше не используется.

Структура

mm_struct

и потоки пространства ядра

Потоки пространства ядра не имеют своего адресного пространства процесса и, следовательно, связанного с ним дескриптора памяти. Значение поля

mm

для потока пространства ядра равно

NULL

. Еще одно определение потока ядра — это процесс, который не имеет пользовательского контекста.

Отсутствие адресного пространства— хорошее свойство, поскольку потоки ядра вообще не обращаются к памяти в пространстве пользователя (действительно, к какому адресному пространству им обращаться?). Поскольку потоки ядра не обращаются к страницам памяти в пространстве пользователя, им вообще не нужен дескриптор памяти и таблицы страниц (таблицы страниц обсуждаются дальше в этой главе). Несмотря на это, потокам пространства ядра все же нужны некоторые структуры данных, такие как таблицы страниц, чтобы обращаться к памяти ядра. Чтобы обеспечить потоки ядра всеми данными без необходимости тратить память на дескриптор памяти и таблицы страниц, а также процессорное время на переключение на новое адресное пространство и так далее, каждый поток ядра использует дескриптор памяти задания, которое выполнялось перед ним.

Когда процесс запланирован на выполнение, то загружается адресное пространство, на которое указывает поле

mm

этого процесса. Поле

active

_mm дескриптора процесса обновляется таким образом, чтобы указывать на новое адресное пространство. Потоки ядра не имеют своего адресного пространства, поэтому значение поля mm для них равно

NULL

. Поэтому, когда поток ядра планируется на выполнение, ядро определяет, что значение ноля

mm

равно

NULL

, и оставляет загруженным предыдущее адресное пространство. После этого ядро обновляет поле

active_mm

дескриптора процесса для потока ядра, чтобы он указывал на дескриптор памяти предыдущего процесса. При необходимости поток ядра может использовать таблицы страниц предыдущего процесса. Так как потоки ядра не обращаются к памяти в пространстве пользователя, то они используют только ту информацию об адресном пространстве ядра, которая связана с памятью ядра и является общей для всех процессов.

Области памяти

Области памяти (memory areas) представляются с помощью объектов областей памяти, которые хранятся в структурах типа

vm_area_struct

. Эта структура определена в файле

<linux/mm.h>

. Области памяти часто называются областями виртуальной памяти (virtual memory area, или VMA).

Структура

vm_area_struct

описывает одну непрерывную область памяти в данном адресном пространстве. Ядро рассматривает каждую область памяти, как уникальный объект. Для каждой области памяти определены некоторые общие свойства, такие как права доступа и набор соответствующих операций. Таким образом, одна структура VMA может представлять различные типы областей памяти, например файлы, отображаемые в память, или стек пространства пользователя. Это аналогично объектно-ориентированному подходу, который используется в подсистеме VFS (см. главу 12, "Виртуальная файловая система").