Разработка ядра Linux (Второе издание)

Лав Роберт

Если какой-либо из параметров имеет недопустимое значение, то функция

do_mmap

возвращает отрицательное число. В противном случае создастся необходимый интервал адресов. Если это возможно, то этот интервал объединяется с соседней областью памяти. Если это невозможно, то создается новая структура

vm_area_struct

, которая выделяется в слябовом кэше

vm_area_cachep

. После этого новая область памяти добавляется в связанный список и красно-черное дерево областей памяти адресного пространства с помощью функции

vma_link

. Затем обновляется значение поля

total_vm

в дескрипторе памяти. В конце концов, функция возвращает начальный адрес вновь созданного интервала адресов.

Системный

вызов

mmap

Возможности функции

do_mmap

экспортируются в пространство пользователя с помощью системного вызова

mmap

, который определен следующим образом.

void *mmap2(void *start,

 size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t pgoff);

Этот системный вызов имеет имя

mmap2

, т.е. второй вариант функции

mmap

. Первоначальный вариант

mmap

требовал в качестве последнего параметра смещение в байтах, а текущий вариант,

mmap2

, — смещение в единицах размера страницы памяти. Это позволяет отображать файлы большего размера с большим значением смещения. Первоначальный вариант функции

mmap

, который соответствует стандарту POSIX, доступен через библиотеку функций языка С, как функция

mmap

, но в ядре уже не реализован. Новый вариант библиотечной функции называется

mmap2

. Обе эти библиотечные функции используют системный вызов

mmap2

. При этом библиотечная функция

mmap

переводит значение смещения из байтов в количество страниц памяти.

Функции

munmap

и

do_munmap

: удаление интервала адресов

Функция

do_munmap

удаляет интервал адресов из указанного адресного пространства процесса. Эта функция объявлена в файле

<asm/mman.h>

следующим образом.

int do_munmap(struct mm_struct *mm,

 unsigned long start, size_t len);

Первый параметр указывает адресное пространство, из которого удаляется интервал адресов, начинающийся с адреса

start

и имеющий длину

len

байт. В случае успеха возвращается нуль, а в случае ошибки — отрицательное значение.

Системный вызов

munmap

Системный вызов

munmap

экспортируется в адресное пространство пользователя, чтобы иметь возможность удалять интервалы адресов из адресного пространства. Эта функция является комплиментарной к системному вызову

mmap

и имеет следующий прототип.

int munmap(void*start, size_t length);

Данный системный вызов реализован в виде очень простой интерфейсной оболочки (wrapper) функции

do_munmap

.

asmlinkage long sys_munmap(unsigned long addr, size_t len) {

 int ret;

 struct mm_struct *mm; mm = current->mm;

 down_write(&mm->mmap_sem);

 ret = do_munmap(mm, addr, len);

 p_write(&mm->mmap_sem);

 return ret;

}

Таблицы страниц

Хотя пользовательские программы и работают с виртуальной памятью, которая отображается на физические адреса, процессоры работают непосредственно с этими физическими адресами. Следовательно, когда приложение обращается к адресу виртуальной памяти, этот адрес должен быть конвертирован в физический адрес, чтобы процессор смог выполнить запрос. Соответствующий поиск выполняется с помощью таблиц страниц. Таблицы страниц работают путем разбиения виртуального адреса на части. Каждая часть используется в качестве индекса (номера) записи в таблице. Таблица содержит или указатель на другую таблицу, или указатель на соответствующую страницу

физической памяти.

В операционной системе Linux таблицы страниц состоят из трех уровней [83] . Несколько уровней позволяют эффективно поддерживать неравномерно заполненные адресные пространства даже для 64-разрядных машин. Если бы таблицы страниц были выполнены в виде одного статического массива, то их размер, даже для 32-разрядных аппаратных платформ, был бы чрезвычайно большим. В операционной системе Linux трехуровневые таблицы страниц используются даже для тех аппаратных платформ, которые аппаратно не поддерживают трехуровневых таблиц (например, для некоторых аппаратных платформ поддерживается только два уровня или аппаратно реализовано хеширование). Три уровня соответствуют своего рода "наибольшему общему знаменателю". Для аппаратных платформ с менее сложной реализацией работа с таблицами страниц в ядре при необходимости может быть упрощена с помощью оптимизаций компилятора.

83

Начиная с ядра версии 2.6.11 таблицы страниц в ОС Linux для 64-разрядных аппаратных платформ стали 4-уровневыми, что позволяет в полном объеме использовать все виртуальное адресное пространство. Для 32-разрядных аппаратных платформ осталось 3 уровня, как и раньше. — Примеч. ред.

Таблица страниц самого верхнего уровня называется глобальным каталогом страниц (page global directory, PGD). Таблица PGD представляет собой массив элементов типа

pgd_t

. Для большинства аппаратных платформ тип

pgd_t

соответствует типу

unsigned long

. Записи в таблице PGD содержат указатели на каталоги страниц более низкого уровня, PMD.

Каталоги страниц второго уровня еще называются каталогами страниц; среднего уровня (page middle directory, PMD). Каждый каталог PMD — это массив элементов типа

pmd_t

. Записи таблиц PMD укалывают на таблицы РТЕ (page table entry, запись таблицы страниц).

Таблицы страниц последнего уровня называются просто таблицами страниц и содержат элементы типа

pte_t

. Записи таблиц страниц указывают на страницы памяти.

Для большинства аппаратных платформ поиск в таблицах страниц выполняется аппаратным обеспечением (по крайней мере частично). При нормальной работе аппаратное обеспечение берет на себя большую часть ответственности по использованию таблиц страниц. Однако для этого ядро должно все настроить так, чтобы аппаратное обеспечение могло нормально работать. На рис. 14.1 показана диаграмма того, как происходит перевод виртуального адреса в физический с помощью таблицы страниц.

Рис. 14.1. Таблицы страниц

Каждый процесс имеет свои таблицы страниц (разумеется, потоки эти таблицы используют совместно). Поле

pgd

дескриптора памяти указывает на глобальный каталог страниц. Манипуляции с таблицами и прохождение по ним требуют захвата блокировки

page_table_lock

, которая также находится в соответствующем дескрипторе памяти.

Структуры данных, связанные с таблицами страниц, сильно зависят от аппаратной платформы и определены в файле

<asm/page.h>

.

Поскольку практически каждое обращение к страницам виртуальной памяти требует определения соответствующего адреса физической памяти, производительность операций с таблицами страниц является очень критичной. Поиск всех этих адресов в памяти должен всегда выполняться очень быстро. Чтобы посодействовать этому, большинство процессоров имеют буфер быстрого преобразования адреса (translation lookaside buffer, или TLB), который работает, как аппаратный кэш отображения виртуальных адресов на физические. При обращении к виртуальному адресу процессор вначале проверяет, не кэшировано ли это отображение в TLB. Если обращение в кэш было удачным, то сразу же возвращается физический адрес. В противном случае поиск физического адреса выполняется с помощью таблиц страниц.