内存管理

重要结构

• mm_struct：描述一个进程的“整个用户虚拟地址空间”的内核抽象（全局视角）。
• vm_area_struct：描述该地址空间里的“一段连续的映射区域（VMA）”（局部视角）。
• mm_context_t（mm_context）：与体系结构相关的、供硬件/MMU 使用的“地址空间硬件上下文”（架构视角），嵌在 mm_struct 里。

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mm_struct（进程地址空间描述符）

• 表示一个进程（或一组共享 mm 的线程）的整个用户虚拟地址空间。
• 关键内容：
  • VMA 集合（老内核用红黑树，近年主线用 maple tree 保存/检索）。
  • 顶级页表根（如 pgd/mm->pgd）。
  • 统计信息（RSS、swap 计数等）、mmap_lock 等地址空间级锁。
  • 引用计数（mm_users/mm_count）、属主线程、内存上限等。
  • 架构相关上下文 mm_struct::context（类型为 mm_context_t）。
• 进程与线程关系：
  • 普通线程共享同一个 mm_struct。
  • 内核线程通常 tsk->mm == NULL，借用 active_mm。
• 你可以把它理解为“这个进程的用户态内存长什么样、有哪些映射、页表在哪、怎么加锁管理”。

vm_area_struct（单个映射区域 VMA）

• 描述虚拟地址空间中一段“连续、同属性”的内存区域，如可执行段、堆、栈、匿名映射、文件映射的一段等。
• 关键字段（常见）：
  • vm_start/vm_end：虚拟地址范围。
  • vm_flags：权限与属性（如读/写/执行、私有/共享、是否可扩展等）。
  • vm_file + vm_pgoff：若为文件映射，指向底层文件与偏移；匿名映射则没有文件。
  • vm_ops：按需缺页处理等回调。
• 所有 VMA 共同组成 mm_struct 的完整地址空间布局。缺页异常时，内核会在 mm 的 VMA 索引结构里查找对应的 vma 来决定权限与缺页处理。

mm_context_t / mm_context（架构相关的硬件上下文）

• 每个 mm_struct 都有一个 context 字段，类型为 mm_context_t（在各架构的 arch/*/include/asm/mmu.h 定义）。
• 存放“硬件/MMU 需要的、与地址空间绑定的状态”，高度依赖架构：
  • 例：x86 可能包含 LDT、进程地址空间的 PCID/ASID、pkeys/PKRU 状态（见 arch/x86/include/asm/pkeys.h），以及 TLB 相关信息。
  • 例：arm64 通常包含 ASID、TTBR0 等。
• 作用是在任务切换或 switch_mm() 时，把“这个 mm 的硬件态”正确装载到 CPU（如切换 CR3/TTBR、ASID、PKRU 等），并配合 TLB 管理。

三者关系与区别

• 层次关系
  • mm_struct：一整个地址空间的“软件描述”。
  • vm_area_struct：该地址空间中的“一个片段”的软件描述。
  • mm_context_t：这个地址空间对应的“硬件/MMU 状态”，是 mm_struct 的一部分，但由各架构定义与使用。
• 职责边界
  • mm_struct 负责组织/管理 VMA 集合、页表根、统计与锁。
  • vm_area_struct 负责描述具体映射区的范围、权限、来源（匿名/文件）与缺页处理方式。
  • mm_context_t 负责硬件视角的上下文（ASID/PCID/PKRU/LDT…），保证在 CPU 上正确访问该地址空间并高效管理 TLB。

生命周期与并发要点

• 共享与引用
  • 多线程共享同一个 mm_struct 和其下所有 vm_area_struct。
  • mm_context_t 随 mm_struct 的创建/销毁而初始化/清理。
• 锁
  • 访问/修改 VMA 集合需使用 mm->mmap_lock（读锁查找、写锁修改）。
  • 页表修改还会用到更细粒度的页表锁。
• 典型路径
  • 缺页异常：找到 current->mm → find_vma() 定位 vma → 检查 vm_flags → 走 vm_ops->fault 或通用缺页处理 → 建立页表项。

MPK

• 在 x86 上，mm_context_t 会包含与内存保护键（pkeys/PKRU）相关的状态，定义见 arch/x86/include/asm/pkeys.h，管理逻辑在 arch/x86/mm/pkeys.c。
• mm_struct 的定义在 include/linux/mm_types.h，其中的 context 字段就是 mm_context_t。

​mm_context_t​中有两个字段：

/*
 * One bit per protection key says whether userspace can
 * use it or not.  protected by mmap_lock.
 */
u16 pkey_allocation_map; //每个pkey是否被使用，用于alloc/free
s16 execute_only_pkey; //所有xom共用一个pkey

内存保护相关系统调用

​mmap​、mprotect​会尝试分配pk来实现xom（当prot​只有PROT_EXEC​）时。如果pk已经被耗尽了，则对应内存仍可读取，且不会产生任何错误信息。

手动pk分配

使用pkey_alloc​来分配并设置一个pk的值，pkey_free​来释放。
​pkey_mprotect​来为某段内存指定pkey​编号。

内核中的相关接口实现在mm/mprotect.c​

static int do_mprotect_pkey(unsigned long start, size_t len, unsigned long prot, int pkey);
 
SYSCALL_DEFINE4(pkey_mprotect, unsigned long, start, size_t, len, unsigned long, prot, int, pkey);
 
SYSCALL_DEFINE2(pkey_alloc, unsigned long, flags, unsigned long, init_val);
 
SYSCALL_DEFINE1(pkey_free, int, pkey);