Роберт Лав - Разработка ядра Linux

Поля mmapи 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_structобъединены 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.

Указатель на дескриптор памяти, выделенный для какой-либо задачи, хранится в поле mmдескриптора процесса этой задачи. Следовательно, выражение current->mmпозволяет 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_structвыделяется из слябового кэша mm_cachepс помощью макроса allocate_mm(). Это реализовано в файле kernel/fork.c. Обычно каждый процесс получает уникальный экземпляр структуры mm_structи соответственно уникальное адресное пространство.

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

}

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_usersдля 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_structв слябовый кэш mm_cachepс помощью вызова функции kmem_cache_free(), поскольку дескриптор памяти больше не используется.

Потоки пространства ядра не имеют своего адресного пространства процесса и, следовательно, связанного с ним дескриптора памяти. Значение поля mmдля 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 mmэтого 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 mmравно NULL, и оставляет загруженным предыдущее адресное пространство. После этого ядро обновляет поле active_mmдескриптора 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 (memory areas) представляются с помощью объектов областей памяти, которые хранятся в структурах типа vm_area_struct. Эта структура определена в файле . Области памяти часто называются областями виртуальной памяти ( virtual memory area , или VMA).