Linux内核分析之内存管理-06

韩乔落
  2026-01-20 21:39:13 2026-01-20 21:39:13 Created   2026-02-24 14:05:18 2026-02-24 14:05:18 Updated  

第6章：虚拟内存区域 (VMA)

基于 Linux 6.12.38 源码

6.1 VMA 概述

6.1.1 什么是 VMA

VMA (Virtual Memory Area，虚拟内存区域) 表示进程地址空间中的一个连续区域，每个 VMA 具有相同的访问权限和属性。

VMA 特点:

  • 连续的虚拟地址范围
  • 相同的访问权限 (读/写/执行)
  • 相同的映射类型 (文件映射、匿名映射)
  • 每个进程的地址空间由多个 VMA 组成

6.1.2 VMA 示例

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进程地址空间:
┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                                                             │
│  0x400000 ────┐  代码段 (VMA1)                             │
│               │    - 可读、可执行                           │
│  0x401000 ────┘                                            │
│                                                             │
│  0x600000 ────┐  数据段 (VMA2)                             │
│               │    - 可读、可写                             │
│  0x601000 ────┘                                            │
│                                                             │
│  0x7fff0000 ─┐  栈段 (VMA3)                                │
│              │    - 可读、可写、向下增长                     │
│  0x7ffffffff┘                                              │
│                                                             │
│  mmap 区域 (多个 VMA):                                      │
│    - 动态库映射                                            │
│    - 共享内存                                              │
│    - 匿名映射                                              │
│                                                             │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

6.2 vm_area_struct 结构

6.2.1 结构定义

位置: include/linux/mm_types.h:697

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struct vm_area_struct {
    /* 第一个缓存行包含 VMA 树遍历所需的信息 */

    union {
        struct {
            /* VMA 覆盖 [vm_start; vm_end) 地址范围 */
            unsigned long vm_start;
            unsigned long vm_end;
        };
        #ifdef CONFIG_PER_VMA_LOCK
        struct rcu_head vm_rcu;  /* 用于延迟释放 */
        #endif
    };

    /*
     * 我们所属的地址空间。
     * RCU 读者可以读取此字段。
     */
    struct mm_struct *vm_mm;
    pgprot_t vm_page_prot;          /* 此 VMA 的访问权限 */

    /*
     * 标志，见 mm.h。
     * 要修改请使用 vm_flags_{init|reset|set|clear|mod} 函数。
     */
    union {
        const vm_flags_t vm_flags;
        vm_flags_t __private __vm_flags;
    };

    #ifdef CONFIG_PER_VMA_LOCK
    /*
     * 指示从 mm->mm_mt 树分离的区域。
     * RCU 读者可以读取此字段。
     */
    bool detached;

    /*
     * 可以在持有时写入 (使用 WRITE_ONCE())：
     *  - mmap_lock (写模式)
     *  - vm_lock->lock (写模式)
     */
    int vm_lock_seq;

    /* RCU 读者可以读取此字段 */
    struct vma_lock *vm_lock;
    #endif

    /*
     * 对于有地址空间和后备存储的区域，
     * 链接到 address_space->i_mmap 区间树。
     */
    struct {
        struct rb_node rb;
        unsigned long rb_subtree_last;
    } shared;

    /*
     * 文件的 MAP_PRIVATE vma 可以同时在 i_mmap 树和 anon_vma 列表中，
     * 在 COW 文件页面后。MAP_SHARED vma 只能在 i_mmap 树中。
     * 匿名 MAP_PRIVATE、栈或 brk vma (NULL 文件) 只能在 anon_vma 列表中。
     */
    struct list_head anon_vma_chain;  /* 由 mmap_lock & page_table_lock 序列化 */
    struct anon_vma *anon_vma;        /* 由 page_table_lock 序列化 */

    /* 处理此结构的函数指针 */
    const struct vm_operations_struct *vm_ops;

    /* 关于我们后备存储的信息 */
    unsigned long vm_pgoff;           /* 偏移 (在 vm_file 中)，以 PAGE_SIZE 为单位 */
    struct file *vm_file;             /* 我们映射到的文件 (可以为 NULL) */
    void *vm_private_data;            /* 是 vm_pte (共享内存) */

    #ifdef CONFIG_ANON_VMA_NAME
    /*
     * 对于私有和共享匿名映射，指向以 null 结尾的字符串的指针，
     * 包含给 vma 的名称，或如果未命名则为 NULL。
     */
    struct anon_vma_name *anon_name;
    #endif
    #ifdef CONFIG_SWAP
    atomic_long_t swap_readahead_info;
    #endif
    #ifndef CONFIG_MMU
    struct vm_region *vm_region;      /* NOMMU 映射区域 */
    #endif
    #ifdef CONFIG_NUMA
    struct mempolicy *vm_policy;      /* VMA 的 NUMA 策略 */
    #endif
    #ifdef CONFIG_NUMA_BALANCING
    struct vma_numab_state *numab_state;  /* NUMA 平衡状态 */
    #endif
    struct vm_userfaultfd_ctx vm_userfaultfd_ctx;
} __randomize_layout;

6.2.2 VMA 核心字段

字段 描述
vm_start VMA 起始虚拟地址
vm_end VMA 结束虚拟地址 (不包含)
vm_mm 所属的 mm_struct
vm_page_prot 页保护权限
vm_flags VMA 标志
vm_ops VMA 操作函数
vm_file 映射的文件 (可为 NULL)
vm_pgoff 文件偏移 (页为单位)

6.3 VMA 标志

6.3.1 VMA 标志定义

位置: include/linux/mm.h

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/* VMA 标志 */
#define VM_READ         0x00000001  /* 可读 */
#define VM_WRITE        0x00000002  /* 可写 */
#define VM_EXEC         0x00000004  /* 可执行 */
#define VM_SHARED       0x00000008  /* 共享映射 */

#define VM_MAYREAD      0x00000010  /* 可能可读 */
#define VM_MAYWRITE     0x00000020  /* 可能可写 */
#define VM_MAYEXEC      0x00000040  /* 可能可执行 */
#define VM_MAYSHARE     0x00000080  /* 可能共享 */

#define VM_GROWSDOWN    0x00000100  /* 向下增长 (栈) */
#define VM_GROWSUP      0x00000200  /* 向上增长 */
#define VM_PFNMAP       0x00000400  /* PFN 映射 */
#define VM_DENYWRITE    0x00000800  /* 拒绝写入 */
#define VM_IO           0x00004000  /* IO 映射 */
#define VM_LOCKED       0x00008000  /* 锁定内存 */
#define VM_SEQ_READ     0x00010000  /* 顺序读 */
#define VM_RAND_READ    0x00020000  /* 随机读 */
#define VM_DONTCOPY     0x00040000  /* fork 时不复制 */
#define VM_DONTEXPAND   0x00080000  /* 不扩展 */
#define VM_LOCKONFAULT  0x00100000  /* 缺页时锁定 */
#define VM_ACCOUNT      0x00200000  /* 计入内存 */
#define VM_NORESERVE    0x00400000  /* 不保留交换空间 */
#define VM_HUGETLB      0x00400000  /* 巨页 */
#define VM_SYNC         0x00800000  /* 同步写 */
#define VM_ARCH_1       0x01000000  /* 架构特定 */
#define VM_WIPEONFORK   0x02000000  /* fork 时清零 */
#define VM_DONTDUMP     0x04000000  /* 不 dump */
#define VM_MIXEDMAP     0x10000000  /* 混合映射 */
#define VM_HUGESPACE    0x40000000  /* 巨页空间 */
#define VM_SOFTDIRTY    0x80000000  /* 软脏位 */

6.3.2 标志操作函数

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/* 初始化 VMA 标志 */
static inline void vm_flags_init(struct vm_area_struct *vma,
                                  vm_flags_t flags);

/* 重置 VMA 标志 */
static inline void vm_flags_reset(struct vm_area_struct *vma,
                                   vm_flags_t flags);

/* 设置 VMA 标志 */
static inline void vm_flags_set(struct vm_area_struct *vma,
                                 vm_flags_t flags);

/* 清除 VMA 标志 */
static inline void vm_flags_clear(struct vm_area_struct *vma,
                                   vm_flags_t flags);

/* 修改 VMA 标志 */
static inline void vm_flags_mod(struct vm_area_struct *vma,
                                 vm_flags_t set, vm_flags_t clear);

6.4 VMA 操作

6.4.1 vm_operations_struct

位置: include/linux/mm.h

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struct vm_operations_struct {
    /* 打开 VMA */
    void (*open)(struct vm_area_struct * area);

    /* 关闭 VMA */
    void (*close)(struct vm_area_struct * area);

    /* 缺页处理 (读) */
    vm_fault_t (*fault)(struct vm_fault *vmf);

    /* 缺页处理 (写，COW) */
    vm_fault_t (*page_mkwrite)(struct vm_fault *vmf);

    /* 页面错误 (写保护) */
    vm_fault_t (*pfn_mkwrite)(struct vm_fault *vmf);

    /* 访问许可 */
    vm_fault_t (*access)(struct vm_fault *vmf);

    /* 分裂 huge page */
    vm_fault_t (*split)(struct vm_fault *vmf);

    /* 页面标记脏 */
    vm_fault_t (*pmd_fault)(struct vm_fault *vmf, unsigned long address);

    /* 页面迁移 */
    unsigned long (*pagesize)(struct vm_area_struct * area);

    /* mprotect 通知 */
    int (*mprotect)(struct vm_area_struct *vma,
                   unsigned long start, unsigned long end,
                   unsigned long newflags);

    /* 匿名 VMA 名称 */
    void (*vma_name)(struct vm_area_struct *vma, char *name, size_t count);
};

6.4.2 VMA 查找操作

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/* 查找包含地址的 VMA */
struct vm_area_struct *find_vma(struct mm_struct *mm, unsigned long addr);

/* 查找并锁定 VMA */
struct vm_area_struct *lock_vma_under_rcu(struct mm_area_struct *mm,
                                          unsigned long addr);

/* 查找最近的 VMA */
struct vm_area_struct *find_vma_prev(struct mm_struct *mm,
                                     unsigned long addr,
                                     struct vm_area_struct **pprev);

/* 查找 VMA 交集 */
struct vm_area_struct *find_vma_intersection(struct mm_struct *mm,
                                            unsigned long start_addr,
                                            unsigned long end_addr);

6.4.3 VMA 创建/删除

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/* 插入 VMA */
int insert_vm_struct(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma);

/* 创建 VMA */
struct vm_area_struct *vm_area_alloc(struct mm_struct *mm);

/* 释放 VMA */
void vm_area_free(struct vm_area_struct *vma);

/* 合并 VMA */
struct vm_area_struct *vma_merge(struct mm_struct *mm,
                                 struct vm_area_struct *prev,
                                 unsigned long addr, unsigned long end,
                                 unsigned long vm_flags,
                                 pgprot_t vm_prot,
                                 struct mempolicy *policy,
                                 unsigned long vm_pgoff,
                                 struct anon_vma *anon_vma,
                                 struct file *file, pgoff_t vm_pgoff);

6.5 VMA 管理

6.5.1 Maple Tree 管理

Linux 5.13+ 使用 Maple Tree 管理 VMA，替代了之前的红黑树。

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/* Maple Tree 操作 */
void __vma_link_list(struct vm_area_struct *vma,
                     struct vm_area_struct *prev,
                     struct vm_area_struct *next);

void __vma_unlink_list(struct mm_struct *mm,
                       struct vm_area_struct *vma);

/* Maple Tree 查找 */
struct vm_area_struct *vma_lookup(struct mm_struct *mm,
                                  unsigned long addr);

/* 获取第一个 VMA */
struct vm_area_struct *vma_first(struct mm_struct *mm);

/* 获取下一个 VMA */
struct vm_area_struct *vma_next(struct vm_area_struct *vma);

/* 获取上一个 VMA */
struct vm_area_struct *vma_prev(struct vm_area_struct *vma);

6.5.2 VMA 分裂和合并

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/* 分裂 VMA */
int __split_vma(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma,
               unsigned long addr, int new_below);

/* 合并 VMA */
struct vm_area_struct *vma_merge(struct mm_struct *mm,
                                struct vm_area_struct *prev,
                                unsigned long addr, unsigned long end,
                                unsigned long vm_flags, pgprot_t vm_prot,
                                struct mempolicy *policy,
                                unsigned long vm_pgoff,
                                struct anon_vma *anon_vma,
                                struct file *file);

/* 检查是否可以合并 */
int vma_can_merge(struct vm_area_struct *vma, struct vm_area_struct *next);

6.5.3 VMA 调整大小

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/* 扩展栈 */
int expand_stack(struct vm_area_struct *vma, unsigned long address);

/* 扩展 VMA */
struct vm_area_struct *expand_vma(struct vm_area_struct *vma,
                                  unsigned long delta);

/* 调整 VMA 大小 */
int vma_adjust(struct vm_area_struct *vma, unsigned long start,
              unsigned long end, pgoff_t pgoff,
              struct vm_area_struct *insert);

6.6 匿名 VMA

6.6.1 anon_vma 结构

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struct anon_vma {
    struct anon_vma *root;        /* 根 anon_vma */
    struct rw_semaphore rwsem;    /* 读写锁 */
    atomic_long_t refcount;       /* 引用计数 */

    /*
     * 底层红黑树的根节点，按地址排序
     */
    struct rb_root_cached rb_root;

    /* 此 anon_vma 所属的 VMA 列表 */
    struct list_head head;
};

6.6.2 anon_vma_chain

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struct anon_vma_chain {
    struct vm_area_struct *vma;
    struct anon_vma *anon_vma;
    struct list_head same_vma;   /* 同 VMA 的链表 */
    struct rb_node rb;           /* 按 addr 排序 */
    unsigned long rb_subtree_last;
};

6.6.3 匿名 VMA 操作

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/* 分配 anon_vma */
struct anon_vma *anon_vma_alloc(void);
void anon_vma_free(struct anon_vma *anon_vma);

/* 关联 anon_vma */
int anon_vma_fork(struct vm_area_struct *vma,
                 struct vm_area_struct *pvma);

/* 获取 anon_vma */
struct anon_vma *page_get_anon_vma(struct page *page);

/* 匿名 VMA 名称 (用于 /proc/[pid]/maps) */
struct anon_vma_name *anon_vma_name_alloc(const char *name);
void anon_vma_name_free(struct kref *kref);

6.7 VMA 锁

6.7.1 Per-VMA Lock

Linux 6.1+ 引入了 Per-VMA 锁机制，减少 mmap_lock 的竞争。

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struct vma_lock {
    struct rw_semaphore lock;
};

/* VMA 锁操作 */
void vma_start_read(struct vm_area_struct *vma);
void vma_end_read(struct vm_area_struct *vma);
void vma_start_write(struct vm_area_struct *vma);
void vma_end_write(struct vm_area_struct *vma);

/* 尝试锁定 */
bool vma_start_read_trylock(struct vm_area_struct *vma);
bool vma_start_write_trylock(struct vm_area_struct *vma);

6.7.2 锁定顺序

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VMA 锁的锁定顺序：
1. mmap_lock (读或写)
2. vm_lock->lock (读或写)

VMA 锁的使用场景：
- 缺页处理
- 页面错误处理
- VMA 查找

6.8 本章小结

本章介绍了 Linux 6.12 的虚拟内存区域 (VMA)：

  1. VMA 概述: 进程地址空间中的连续区域，相同权限和属性
  2. vm_area_struct: VMA 核心数据结构
  3. VMA 标志: 访问权限、增长方向、映射类型等
  4. VMA 操作: 查找、创建、删除、合并、分裂
  5. Maple Tree: Linux 5.13+ 使用的 VMA 管理数据结构
  6. 匿名 VMA: 匿名映射的 VMA 管理
  7. VMA 锁: Per-VMA 锁机制，减少竞争

下一章将介绍页面分配。

  • Title: Linux内核分析之内存管理-06
  • Author: 韩乔落
  • Created at : 2026-01-20 21:39:13
  • Updated at : 2026-02-24 14:05:18
  • Link: https://jelasin.github.io/2026/01/20/Linux内核分析之内存管理-06/
  • License: This work is licensed under CC BY-NC-SA 4.0.
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Linux内核分析之内存管理-06
  1. 第6章：虚拟内存区域 (VMA)
    1. 6.1 VMA 概述
      1. 6.1.1 什么是 VMA
      2. 6.1.2 VMA 示例
    2. 6.2 vm_area_struct 结构
      1. 6.2.1 结构定义
      2. 6.2.2 VMA 核心字段
    3. 6.3 VMA 标志
      1. 6.3.1 VMA 标志定义
      2. 6.3.2 标志操作函数
    4. 6.4 VMA 操作
      1. 6.4.1 vm_operations_struct
      2. 6.4.2 VMA 查找操作
      3. 6.4.3 VMA 创建/删除
    5. 6.5 VMA 管理
      1. 6.5.1 Maple Tree 管理
      2. 6.5.2 VMA 分裂和合并
      3. 6.5.3 VMA 调整大小
    6. 6.6 匿名 VMA
      1. 6.6.1 anon_vma 结构
      2. 6.6.2 anon_vma_chain
      3. 6.6.3 匿名 VMA 操作
    7. 6.7 VMA 锁
      1. 6.7.1 Per-VMA Lock
      2. 6.7.2 锁定顺序
    8. 6.8 本章小结