圖解內存匿名反向映射Reverse Mapping
反向映射的目的是為了找到所有映射到某一個頁面的頁表項，從而可以對目標頁做一些操作，比如切斷映射。
反向映射一直是一個非常神奇的存在，今天我們就好好探索一下這個知識點。
創建
在反向匿名映射中除了page struct，一共有三個相關的數據結構：
- vm_area_struct
- anon_vma
- anon_vma_chain
第一個數據結構我們已經見過了，是一個老朋友。而后兩者就是為了構造反向匿名映射而新生的。我們先來看看這兩個新的數據結構的樣子。
anon_vma
- anon_vma
- +----------------------------+
- |root | = self
- |parent | = self
- | (struct anon_vma*) |
- |refcount | = 1
- | (atomic_t) |
- |degree | = 1
- | (unsigned) |
- +----------------------------+
這個結構由anon_vma_alloc()函數統一生成，上圖中也顯示了創造出來時候的樣子。從這里看，也就是個帶有上下級關系的這么一個結構。
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) |
- +----------------------------+
這個結構由anon_vma_chain_alloc()統一創建，貌似創建完了也不需要初始化，拿來后面就直接用了。
組合
到這里，大家應該感覺怪怪的，都不知道這些東西是個啥。別急，我把這些東西組合起來，可能你就會有一些感覺了。
在這里，我們把這三個重要的數據結構之間的組合關系展現給大家。當然這只是最簡單的組合關系，目的是為了讓大家能有一個感性的認識。
- anon_vma_chain鏈接了anon_vma和vma
- vma則會有指針指向自己的anon_vma
空口無憑，眼見為實。那為什么會長成這樣的呢?接下來我們就來看看在內核中我們是如何將這些數據結構鏈接起來的。
鏈接
上一節的最后，我們看到了三個重要的數據結構通過鏈表和樹連接在了一起，這一節我們就來看看他們是怎么連接起來的。
anon_vma_chain_link
往簡單了講，要連接這三個重要的數據結構，都靠一個函數：anon_vma_chain_link(vma, avc, anon_vma)。而這個函數本身簡單到令人發指，以至于我能把整個定義給大家展示出來。
- 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);
- }
你對照這上面的圖一看，和圖上顯示的一摸一樣沒有任何多余的步驟。
但是，關鍵的但是來了，如果你以為一切就這這么簡單，那就too young too simple了啊。
接下來我們將從anon_vma_chain_link函數被調用的關系入手，去看看在實際運行中究竟會演化出什么樣的變化來。
do_anonymous_page
首先出場的是函數do_anonymous_page，這個函數是在匿名頁缺頁中斷時會調用的函數。
- 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，當發生缺頁中斷時，內核會給對應的vma構造anon_vma，并且利用avc去鏈接這兩者。這種可以說是系統中最簡單的例子，也是上圖中顯示的情況。
細心的人可能已經看到了，上面有一種情況是find_mergeable_anon_vma。如果這個函數返回一個可以重用的anon_vma，那么內核就可以利用原有的anon_vma了。此時這個圖我們可以畫成這樣。
- ....................... *************************
- . . * *
- av v avc v v vma v
- +-----------+ +-------------+ +-------------+
- | |<------------|anon_vma vma|------------>| |
- | |<- | | | |
- +-----------+ \ +-------------+ +-------------+
- ^ ^ ^ ^
- . \ . * *
- . . *************************
- . \ .
- . .
- . \ . *************************
- . . * *
- . \ avc v v vma v
- . +-------------+ +-------------+
- . ------|anon_vma vma|------------>| |
- . | | | |
- . +-------------+ +-------------+
- . ^ ^ ^
- . . * *
- ....................... *************************
其實此處我畫得不夠精確，av 和 avc之間應當是樹的關系，而不是現在顯示的鏈表的關系。但是我想意思已經表達清楚，即在一個進程中多個vma可以共享同一個anon_vma作為匿名映射的節點。
anon_vma_fork
看過了在單個進程中的情況，接下來我們來看看創建一個子進程時如何調整這個數據結構。這個過程由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)
這個函數很有意思，我還真是花了些時間去理解它。最開始有點看不清，所以我干脆退回到最簡單的狀態，也就是當前進程是根進程的時候。此時我才大致的了解了一點fork時究竟發生了什么。
話不多說，還是用一個圖來表達
- ....................... *************************
- . . * *
- 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是父進程，C1是他的一個子進程。當發生fork時，page->mapping沒有發生改變，所以依然需要能夠從父進程的anon_vma上搜索到對應的頁表。此時就得在父進程的rb_root樹中保留一個子進程的avc。同時子進程又擁有自己的一套anon_vma。
可以說這個真的是非常有意思的。
對了，代碼中還有一個函數anon_vma_clone，在這里我就不展開了。留給大家下來思考一下下。
使用
好了，到了這里我們已經擁有了一個非常強悍的武器 – 匿名反向映射。有了他我們就可以指哪打哪了。
內核也已經給我們準備好了扣動這個核武器的板機 – 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
有了上面的基礎知識，我想看這段代碼就不難了。還記得上面看到過的那個rb_root么?對了，我們就是沿著這顆紅黑樹找到的vma，然后再找到了頁表。
嗯，一切都感覺這么的完美。
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