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反向映射的目的是為了找到所有映射到某一個(gè)頁(yè)面的頁(yè)表項(xiàng)，從而可以對(duì)目標(biāo)頁(yè)做一些操作，比如切斷映射。

反向映射一直是一個(gè)非常神奇的存在，今天我們就好好探索一下這個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

創(chuàng)建

在反向匿名映射中除了page struct，一共有三個(gè)相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

• vm_area_struct
• anon_vma
• anon_vma_chain

第一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)我們已經(jīng)見(jiàn)過(guò)了，是一個(gè)老朋友。而后兩者就是為了構(gòu)造反向匿名映射而新生的。我們先來(lái)看看這兩個(gè)新的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的樣子。

anon_vma

anon_vma 
    +----------------------------+ 
    |root                        |  = self 
    |parent                      |  = self 
    |    (struct anon_vma*)      | 
    |refcount                    |  = 1 
    |    (atomic_t)              | 
    |degree                      |  = 1 
    |    (unsigned)              | 
    +----------------------------+ 

這個(gè)結(jié)構(gòu)由anon_vma_alloc()函數(shù)統(tǒng)一生成，上圖中也顯示了創(chuàng)造出來(lái)時(shí)候的樣子。從這里看，也就是個(gè)帶有上下級(jí)關(guān)系的這么一個(gè)結(jié)構(gòu)。

anon_vma_chain

anon_vma_chain 
   +----------------------------+ 
   |vma                         | 
   |    (struct vm_area_struct*)| 
   |anon_vma                    | 
   |    (struct anon_vma*)      | 
   |                            | 
   |rb                          | 
   |    (struct rb_node)        | 
   |same_vma                    | 
   |    (struct list_head)      | 
   +----------------------------+ 

這個(gè)結(jié)構(gòu)由anon_vma_chain_alloc()統(tǒng)一創(chuàng)建，貌似創(chuàng)建完了也不需要初始化，拿來(lái)后面就直接用了。

組合

到這里，大家應(yīng)該感覺(jué)怪怪的，都不知道這些東西是個(gè)啥。別急，我把這些東西組合起來(lái)，可能你就會(huì)有一些感覺(jué)了。

在這里，我們把這三個(gè)重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的組合關(guān)系展現(xiàn)給大家。當(dāng)然這只是最簡(jiǎn)單的組合關(guān)系，目的是為了讓大家能有一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)。

• anon_vma_chain鏈接了anon_vma和vma
• vma則會(huì)有指針指向自己的anon_vma

空口無(wú)憑，眼見(jiàn)為實(shí)。那為什么會(huì)長(zhǎng)成這樣的呢?接下來(lái)我們就來(lái)看看在內(nèi)核中我們是如何將這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)鏈接起來(lái)的。

鏈接

上一節(jié)的最后，我們看到了三個(gè)重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通過(guò)鏈表和樹(shù)連接在了一起，這一節(jié)我們就來(lái)看看他們是怎么連接起來(lái)的。

anon_vma_chain_link

往簡(jiǎn)單了講，要連接這三個(gè)重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，都靠一個(gè)函數(shù)：anon_vma_chain_link(vma, avc, anon_vma)。而這個(gè)函數(shù)本身簡(jiǎn)單到令人發(fā)指，以至于我能把整個(gè)定義給大家展示出來(lái)。

static void anon_vma_chain_link(struct vm_area_struct *vma, 
                    struct anon_vma_chain *avc, 
                    struct anon_vma *anon_vma) 
    { 
        avc->vma = vma; 
        avc->anon_vma = anon_vma; 
        list_add(&avc->same_vma, &vma->anon_vma_chain); 
        anon_vma_interval_tree_insert(avc, &anon_vma->rb_root); 
    } 

你對(duì)照這上面的圖一看，和圖上顯示的一摸一樣沒(méi)有任何多余的步驟。

但是，關(guān)鍵的但是來(lái)了，如果你以為一切就這這么簡(jiǎn)單，那就too young too simple了啊。

接下來(lái)我們將從anon_vma_chain_link函數(shù)被調(diào)用的關(guān)系入手，去看看在實(shí)際運(yùn)行中究竟會(huì)演化出什么樣的變化來(lái)。

do_anonymous_page

首先出場(chǎng)的是函數(shù)do_anonymous_page，這個(gè)函數(shù)是在匿名頁(yè)缺頁(yè)中斷時(shí)會(huì)調(diào)用的函數(shù)。

do_anonymous_page(vmf) 
        __anon_vma_prepare(vma) 
            avc = anon_vma_chain_alloc() 
            anon_vma = find_mergeable_anon_vma(vma) 
            anon_vma = anon_vma_alloc() 
            vma->anon_vma = anon_vma 
            anon_vma_chain_link(vma, avc, anon_vma) 

從上面的流程可以看出，當(dāng)發(fā)生缺頁(yè)中斷時(shí)，內(nèi)核會(huì)給對(duì)應(yīng)的vma構(gòu)造anon_vma，并且利用avc去鏈接這兩者。這種可以說(shuō)是系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單的例子，也是上圖中顯示的情況。

細(xì)心的人可能已經(jīng)看到了，上面有一種情況是find_mergeable_anon_vma。如果這個(gè)函數(shù)返回一個(gè)可以重用的anon_vma，那么內(nèi)核就可以利用原有的anon_vma了。此時(shí)這個(gè)圖我們可以畫(huà)成這樣。

      .......................      ************************* 
        .                     .      *                       * 
av      v                 avc v      v                vma    v 
+-----------+             +-------------+             +-------------+ 
|           |<------------|anon_vma  vma|------------>|             | 
|           |<-           |             |             |             | 
+-----------+  \          +-------------+             +-------------+ 
        ^                     ^      ^                       ^ 
        .       \             .      *                       * 
        .                     .      ************************* 
        .        \            . 
        .                     . 
        .         \           .      ************************* 
        .                     .      *                       * 
        .          \      avc v      v                vma    v 
        .                 +-------------+             +-------------+ 
        .           ------|anon_vma  vma|------------>|             | 
        .                 |             |             |             | 
        .                 +-------------+             +-------------+ 
        .                     ^      ^                       ^ 
        .                     .      *                       * 
        .......................      ************************* 

其實(shí)此處我畫(huà)得不夠精確，av 和 avc之間應(yīng)當(dāng)是樹(shù)的關(guān)系，而不是現(xiàn)在顯示的鏈表的關(guān)系。但是我想意思已經(jīng)表達(dá)清楚，即在一個(gè)進(jìn)程中多個(gè)vma可以共享同一個(gè)anon_vma作為匿名映射的節(jié)點(diǎn)。

anon_vma_fork

看過(guò)了在單個(gè)進(jìn)程中的情況，接下來(lái)我們來(lái)看看創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程時(shí)如何調(diào)整這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這個(gè)過(guò)程由anon_vma_fork處理。

anon_vma_fork(vma, pvma) 
        anon_vma_clone(vma, pvma) 
        anon_vma = anon_vma_alloc() 
        avc = anon_vma_chain_alloc() 
        anon_vma->root = pvma->anon_vma->root 
        anon_vma->parent = pvma->anon_vma 
        vma->anon_vma = anon_vma 
        anon_vma_chain_link(vma, avc, anon_vma) 

這個(gè)函數(shù)很有意思，我還真是花了些時(shí)間去理解它。最開(kāi)始有點(diǎn)看不清，所以我干脆退回到最簡(jiǎn)單的狀態(tài)，也就是當(dāng)前進(jìn)程是根進(jìn)程的時(shí)候。此時(shí)我才大致的了解了一點(diǎn)fork時(shí)究竟發(fā)生了什么。

話不多說(shuō)，還是用一個(gè)圖來(lái)表達(dá)

            .......................      ************************* 
            .                     .      *                       * 
    av      v                 avc v      v                vma    v 
    +-----------+             +-------------+             +-------------+ 
P   |           |<------------|anon_vma  vma|------------>|             | 
    |           |<----+       |             |             |             | 
    +-----------+      \      +-------------+             +-------------+ 
            ^                     ^      ^                       ^ 
            .           \         .      *                       * 
            .                     .      ************************* 
            .            \        . 
            .                     . 
            .             \       . 
            .                     . 
            .              \      .      ************************* 
            .                     .      *                       * 
            .               \ avc v      v                       * 
            .                 +-------------+                    * 
            .                \|anon_vma  vma|\                   * 
            .                 |             |                    * 
            .                 +-------------+  \                 * 
            .                    ^       ^                       * 
            .                    .       *       \               * 
            ......................       *                       * 
                                         *         \             * 
                                         *                       * 
                                         *           \           * 
            .......................      *                       * 
            .                     .      *             \         * 
    av      v                 avc v      v              \ vma    v 
    +-----------+             +-------------+            >+-------------+ 
C1  |           |<------------|anon_vma  vma|------------>|             | 
    |           |             |             |             |             | 
    +-----------+             +-------------+             +-------------+ 
            ^                     ^      ^                       ^ 
            .                     .      *                       * 
            .......................      ************************* 

P是父進(jìn)程，C1是他的一個(gè)子進(jìn)程。當(dāng)發(fā)生fork時(shí)，page->mapping沒(méi)有發(fā)生改變，所以依然需要能夠從父進(jìn)程的anon_vma上搜索到對(duì)應(yīng)的頁(yè)表。此時(shí)就得在父進(jìn)程的rb_root樹(shù)中保留一個(gè)子進(jìn)程的avc。同時(shí)子進(jìn)程又擁有自己的一套anon_vma。

可以說(shuō)這個(gè)真的是非常有意思的。

對(duì)了，代碼中還有一個(gè)函數(shù)anon_vma_clone，在這里我就不展開(kāi)了。留給大家下來(lái)思考一下下。

使用

好了，到了這里我們已經(jīng)擁有了一個(gè)非常強(qiáng)悍的武器 – 匿名反向映射。有了他我們就可以指哪打哪了。

內(nèi)核也已經(jīng)給我們準(zhǔn)備好了扣動(dòng)這個(gè)核武器的板機(jī) – rmap_walk_anon。

rmap_walk_anon(page, rwc, true/false) 
        anon_vma = page_anon_vma(page), get anon_vma from page->mapping 
        pgoff_start = page_to_pgoff(page); 
            return page_to_index(page) 
        pgoff_end = pgoff_start + hpage_nr_pages(page) - 1; 
        anon_vma_interval_tree_foreach(avc, &anon_vma->rb_root, pgoff_start, pgoff_end) 
        rwc->rmap_one(page, vma, address, rwc->arg) -> do the real work 

有了上面的基礎(chǔ)知識(shí)，我想看這段代碼就不難了。還記得上面看到過(guò)的那個(gè)rb_root么?對(duì)了，我們就是沿著這顆紅黑樹(shù)找到的vma，然后再找到了頁(yè)表。

嗯，一切都感覺(jué)這么的完美。

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