图解Linux内核(基于6.x)：解读Linux内存反向映射之匿名映射

📑前言

内存映射中，我们经常讨论的是由虚拟内存定位物理内存（也就是folio或者page），实际上在很多场景中（比如内存回收），会涉及反向的操作，也就是反向映射。所谓反向映射，就是给定一个folio（page），将映射它的PTE（页表项）找出来。接下来我们来详细分析一下它的原理吧（本文仅分析匿名映射部分）。

一、匿名映射的mapping

匿名映射中，mapping可以用来找到anon_vma，anon_vma关联vma，通过folio和vma，就可以得出映射的虚拟地址address，最终由address和vma定位PTE，如图1所示。

图1.匿名folio定位address示意图
图1中基本都是直来直去的关系，除了anon_vma和vma，它们实际上是多对多的关系，由anon_vma_chain结构体（以下简称avc）辅助实现。
我们从mmap返回，vma还没有映射任何物理页的情景说起。
第一次访问vma区间的地址，导致缺页异常。内核调用do_anonymous_page，申请一页内存，完成映射。
由于这是vma区间内的第一次缺页异常，vma相关的anon_vma和avc还不存在，处理异常的过程中会准备好它们，然后调用page_add_new_anon_rmap为该page（folio）建立反向映射，将anon_vma赋值给mapping字段。关键代码片段如下。

struct anon_vma *anon_vma = vma->anon_vma;anon_vma = (void *) anon_vma + PAGE_MAPPING_ANON; 
WRITE_ONCE(page->mapping, (struct address_space *) anon_vma); 
page->index = linear_page_index(vma, address);

代码中的address就是映射的虚拟地址，page->index实际上是page offset，该page在文件中的偏移量，也就是映射的是文件的第几页，计算代码如下。

pgoff = (address - vma->vm_start) >> PAGE_SHIFT; 
pgoff += vma->vm_pgoff;  
return pgoff;

vma->vm_pgoff是vma的起始地址对应的文件的page offset。
匿名映射没有对应文件，它的vma->vm_pgoff等于vma->vm_start >> PAGE_SHIFT。
这里需要明确一下，从内核的角度看，我们以MAP_ANONYMOUS调用mmap等完成的映射并不一定是匿名映射。置位MAP_SHARED的情况下，内核会生成“假”（pseudo）文件与之对应（shmem_zero_setup），就不是匿名的了，vma->vm_pgoff等于0。只有MAP_ANONYMOUS和 MAP_PRIVATE同时置位的情况下才是内核承认的匿名映射。
这里有以下两点需要注意。

1. 整个vma可能会有多个页，它们的mapping字段是相等的，不等的是index字段。
2. anon_vma和vma的关系并不依赖page，哪怕是vma映射中的其中一部分page改变映射了，从anon_vma到vma的路径并不会变。

单个进程的反向映射建立了，如图2所示。anon_vma到vma实际上是通过区间树（interval tree）实现的，为了看起来简洁些图中使用链表代替。

图2.匿名映射单个进程反向映射示意图
接下来考虑创建子进程的场景。在新进程创建的过程中，有些情况会调用dup_mmap复制原进程的内存空间，dup_mmap会复制vma，然后调用anon_vma_fork。anon_vma_fork会为新进程申请anon_vma，建立反向映射，完成后如图3所示。

图3.创建子进程后匿名映射示意图
新进程创建完成后，从page->mapping出发，可以遍历所有映射它的PTE了。
再考虑COW的场景，缺页异常申请新的一页，将原页的内存复制到新页中，然后使用新页更新映射，根据前文中“需要注意的第2点”可以得出图4中的结果。

图4.COW发生后匿名映射示意图
可以看到，从原页依然可以遍历到没有映射它的vma（请仔细理解anon_vma和vma的关系并不依赖page），从新页出发倒是没有这个烦恼。
我们肯定不希望操作原页的时候会影响到没有映射它的vma，所以得到某个vma后，需要做进一步检查，原理是拿原页的pfn区间（一个folio可能包含多个连续的物理页）和vma映射的物理页的pfn做比较，落在区间内才是有效的，由check_pte实现。
有了以上的铺垫，我们可以分析匿名页的反向映射了，由rmap_walk_anon实现，核心逻辑如下。

void rmap_walk_anon(struct folio *folio,  struct rmap_walk_control *rwc, bool locked)
{  struct anon_vma *anon_vma;  pgoff_t pgoff_start, pgoff_end;  struct anon_vma_chain *avc;if (locked) {    anon_vma = folio_anon_vma(folio);    //1  } else {    anon_vma = rmap_walk_anon_lock(folio, rwc);  }pgoff_start = folio_pgoff(folio);    //2  pgoff_end = pgoff_start + folio_nr_pages(folio) - 1;  anon_vma_interval_tree_foreach(avc, &anon_vma->rb_root,pgoff_start, pgoff_end) {struct vm_area_struct *vma = avc->vma;unsigned long address = vma_address(&folio->page, vma);    //3if (rwc->invalid_vma && rwc->invalid_vma(vma, rwc->arg))    //4      continue;    if (!rwc->rmap_one(folio, vma, address, rwc->arg))      break;    if (rwc->done && rwc->done(folio))      break;  }if (!locked)    anon_vma_unlock_read(anon_vma);
}

第1步，获得anon_vma，是给anon_vma->mapping赋值（见前文代码片段）的反过程。
第2步，调用folio_pgoff得到pgoff_start，然后根据folio的页数得到pgoff_end，用作遍历interval tree的时候筛选vma。folio_pgoff返回folio->index，赋值过程也见前文代码片段。
第3步，根据folio和vma计算得到虚拟地址，不考虑多页的情况下，计算过程如下。

pgoff_in_vma = page->index - vma->vm_pgoff
address = vma->vm_start + (pgoff_in_vma << PAGE_SHIFT)

这个计算过程对匿名映射和文件映射都适用。vma->vm_pgoff是vma基于文件的page offset，vma->vm_start是vma区间的其实虚拟地址，加上当前页在vma内的offset就可以得到虚拟地址了。匿名映射没有文件，vma->vm_pgoff等于vma->vm_start >> PAGE_SHIFT，用来做计算也是没有问题的。
这里anon_vma_interval_tree_foreach会筛选树上符合pgoff_start, pgoff_end区间的vma，难道anon_vma上的vma可以有不同的pgoff区间吗？答案是肯定的，为了简化问题，我们之前回避了anon_vma的重复利用问题，同一个进程符合条件的vma是可以共享anon_vma的（find_mergeable_anon_vma）。从这个角度看，vma->vm_pgoff等于vma->vm_start >> PAGE_SHIFT是合理的，同一个进程不同的vma计算得到的vma->vm_pgoff也不同。
第4步，调用rmap_walk_control（代码中简称rwc）提供的回调函数。rmap_walk_anon提供了遍历vma的方法，至于对每个vma做什么，是由调用它的函数决定的，比如folio_referenced函数希望遍历PTE，查看folio被不同PTE访问的次数，它的rwc定义如下。

struct folio_referenced_arg pra = {.mapcount = folio_mapcount(folio),.memcg = memcg,
};
struct rmap_walk_control rwc = {.rmap_one = folio_referenced_one,.arg = (void *)&pra,.anon_lock = folio_lock_anon_vma_read,.try_lock = true,
};

另外，rmap_walk_anon给出了vma、address和folio，但没有得到PTE，这个任务只能由rwc的回调函数自行完成，不过内核提供了page_vma_mapped_walk函数辅助完成该任务。

二、推荐阅读

2.1 一图速览

《图解Linux内核（基于6.x）》
京东：https://item.jd.com/14577130.html

2.2 内容简介

• 全书共五篇，以从易到难的顺序详细剖析了Linux内核开发的核心技术。“知识储备篇”介绍了Linux的数据结构、中断处理、内核同步和时间计算等内容，这些是理解后续章节的前提；之后通过“内存管理篇”“文件系统篇”“进程管理篇”详细介绍了Linux的三大核心模块；最后的“综合应用篇”则融合了前面诸多模块知识展示了Linux内核开发在操作系统、智能设备、驱动、通信、芯片、云计算和人工智能等热点领域的应用。书中的重点、难点均配有图表、代码和实战案例，力求直观、清晰。
• 学习本书的读者需要熟悉C语言，建议对Linux内核有一定了解。推荐初学者按照本书的编排顺序阅读，而熟悉Linux内核的读者可以跳过知识储备篇，直接从三大核心模块篇进行阅读。