FreeBSD内存管理系统理解（一）

nocool

通过对FreeBSD设计与实现一书的阅读，并结合源码分析，将自己对FreeBSD系统的内存管理部分的一些理解摆在这里，希望高手，大拿们指点啦。
系统内存管理
一、基本概念
Address Translation：虚拟地址空间到物理存储空间的映射
内存管理单元(MMU) ：实现地址转换操作与进程地址隔离保护的硬件。
Paging:分页操作就是将进程访问到的页面读入主存（当发生page fault时），而把不再活跃的页面写入后备存储来节约进程的主存消耗的技术。
Swapping:系统内存不足时，选择暂时换出到次存的进程的内存管理策略。
虚拟地址空间,以及地址翻译机制使得进程地址可以独立于具体的存储器位置。
要避免一个进程访问别的进程的内容，要有硬件保护。Memory Management Unit(MMU)结合了进程地址空间保护和地址翻译功能。

  
图一.地址翻译示意图
地址翻译将虚拟地址空间与物理地址空见解耦。每个虚拟页面可能保存在主存中，也可能不在主存中。当进程访问不在主存中的虚拟地址，硬件将产生缺页错误(page fault)。处理缺页错误或称分页(paging)，按需加载页，使得进程可以在只有部分页面驻留主存的情况下执行。

缺页处理需要确定以下三种策略：
fetch policy,读取策略，FreeBSD为了减少I/O操作次数，希望一次读入尽量多的页面，采用prepaging策略，一般是需要页面前后各8个页面内可以一次读入的部分。
placement policy,放置策略，FreeBSD为了充分利用Cache功能，采用Color算法来确定读入页面放置的物理位置。
replacement policy，替换策略，FreeBSD维持多个链表管理和释放物理空间，以便重用。
进程对内存的操作具有局部集中性(locality of reference)。当进程在某个子流程或者循环中时，很可能固定的引用一段内存空间，称作working set,工作集。进程可能周期性的改变工作集。
swap在内存短缺时执行整个进程的换入换出。不过现在与分页相结合，直到大的短缺时，才swap.
硬件支持：
要避免一个进程修改别的进程，就要禁止进程修改它自己的内存地址映射。
当进程换出时硬件要支持指令执行状态信息的保存。
脏页标志。
二、内存管理总览
FreeBSD系统的内存管理基于部分面向对象思想：将文件，匿名内存段等所有数据源归结为object，定义对这些数据源的标准操作接口(pager, pagerops)，并根据不同的数据源采用不同的操作实现(如swappagerops，vnodepagerops)。物理内存只是用来作为这些对象最近所使用的页面的缓存。
虚拟内存到物理内存部分的实际映射交给pmap模块完成
FreeBSD内存管理相关数据结构：
vmspace     表示内核或一个进程的地址空间，包含硬件独立的内容，也包含硬件相关的内容。
Vm_map  包含硬件无关的虚拟地址空间的描述。
Vm_map_entry    使用相同存储介质，并且保护和继承方式也相同的虚拟连续的地址段
Vm_page     代表虚拟内存系统中内存页管理的数据结构。
数据结构名称
说明
vmspace
用于描述一个进程的地址空间，包括机器相关的与机器无关的结构
vm_map
用于描述机器无关的虚拟地址空间的高级抽象数据
pmap
机器相关虚拟地址与物理地址映射结构
vm_map_entry
用于描述一个虚拟的连续地址空间，它们拥有共同的保护属性与继承属性，并且使用相同的备份存储对象
vm_object
表示一个地址范围的数据源
shadow_object
表示已经修改过的数据，是一种object的特殊形态
vm_page
这是最底层的数据结构，表示虚拟内存所使用的物理内存
这些数据结构中的重要字段

struct vmspace {
    struct vm_map vm_map;   /* 硬件无关虚拟内存管理 */
    struct pmap vm_pmap;        /* 硬件相关映射 */
    /* 地址空间各段数据 */
    /* 一些统计信息 */
    ......  
};
struct vm_map {

    struct vm_map_entry header; /* vm_map_entry链表 */
    vm_map_entry_t root;        /* vm_map_entry二叉树结构 */
    /* 同步机制，大小信息，状态标志 */
    ......  
};
struct vm_map_entry {

    /* vm_map_entry链表及二叉树结构 */
    struct vm_map_entry *prev;  /* previous entry */
    struct vm_map_entry *next;  /* next entry */
    struct vm_map_entry *left;  /* left child in binary search tree */
    struct vm_map_entry *right; /* right child in binary search tree */
    /* 始末地址和大小数据 */
    vm_offset_t start;      /* start address */
    vm_offset_t end;        /* end address */
    vm_offset_t avail_ssize;    /* amt can grow if this is a stack */
    /* 这两个值都是vm_map_entry 在插入binary search tree （vm_map_entry_link）时算出来的,用来寻找合适的free空间 */
    vm_size_t adj_free;     /* amount of adjacent free space，邻接的free空间 */
    vm_size_t max_free;     /* max free space in subtree 其子树的最大free空间*/
    /* 指向object结构，在内核映射中可能指向子映射 */
    union vm_map_object object; /* object I point to */
    vm_ooffset_t offset;        /* 在object中的偏移量*/
    vm_eflags_t eflags;     /* map_entry的类型标志，其中MAP_ENTRY_IS_SUB_MAP表示其为submap*/
    /* Only in task maps: */
    vm_prot_t protection;   /* protection code */
    vm_prot_t max_protection;   /* maximum protection */
    vm_inherit_t inheritance;   /* inheritance */
    int wired_count;        /* 不可换页标志 can be paged if = 0 */
    vm_pindex_t lastr;      /* last read */
};
vm_map_object联合，包括指向vm_object的指针，内核映射中可能指向子映射vm_map结构
union vm_map_object {
    struct vm_object *vm_object;    /* object object */
    struct vm_map *sub_map;     /* belongs to another map */
};
struct vm_object {

    struct mtx mtx;
    /* shadow object 相关数据 */
    TAILQ_ENTRY(vm_object) object_list;     /* list of all objects */
    LIST_HEAD(, vm_object) shadow_head;     /* objects that this is a shadow for */
    LIST_ENTRY(vm_object) shadow_list; /* chain of shadow objects */
    TAILQ_HEAD(, vm_page) memq;         /* 驻留主存页链表 list of resident pages */
    vm_page_t root;             /* 内存页二叉树根root of the resident page splay tree */
    vm_pindex_t size;               /* Object size */
    int generation;             /* generation ID */
    int ref_count;              /* How many refs?? */
    int shadow_count;               /* how many objects that this is a shadow for */
    objtype_t type;             /* pager 类型*/
    u_short flags;              /* see below */
    u_short pg_color;               /* color算法中该对象采用的起始颜色*/
    u_short paging_in_progress;         /* Paging (in or out) so don't collapse or destroy */
    int resident_page_count;            /* number of resident pages */
    struct vm_object *backing_object;       /* object that I'm a shadow of */
    vm_ooffset_t backing_object_offset; /* Offset in backing object */
    TAILQ_ENTRY(vm_object) pager_object_list; /* list of all objects of this pager type */
    /* 与vm_object对应的结构，在vnode pager中指向vnode结构，在swap pager中指向swap空间 */
    void *handle;
    /* pager相关数据 */
    ......
};
struct vm_page {

    /* 内存页的多列表，二叉树结构 */
    TAILQ_ENTRY(vm_page) pageq; /* queue info for FIFO queue or free list (P) */
    TAILQ_ENTRY(vm_page) listq; /* pages in same object (O)     */
    struct vm_page *left;       /* splay tree link (O)      */
    struct vm_page *right;      /* splay tree link (O)      */
    /* 页面的object及位置信息 */
    vm_object_t object;     /* which object am I in (O,P)*/
    vm_pindex_t pindex;     /* offset into object (O,P) */
    vm_paddr_t phys_addr;       /* physical address of page */
    /* 机器相关数据结构，完成反向映射 */
    struct md_page md;      /* machine dependant stuff */
    u_short queue;          /* page queue index */
    u_short flags,          /* see below */
        pc;         /* page color */
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本文来自ChinaUnix博客，如果查看原文请点：http://blog.chinaunix.net/u/9478/showart_43684.html