The Process Address Space

• The process address space
• abstract:
• 系統除了管理physical memory之外, 它也會管理user-space process的記憶體, 這部份又被叫作process address space. Linux是一個virtual memory OS, process看見的記憶體都是虛擬過的, 每個process都以為擁有全部的記憶體, 而且單一process所看見的記憶體可能比physical memory還要大.
• 要用什麼來描述一個process address space? 而且總不可能讓process access所有address吧, 那可用的memory又要用什麼來描述? 怎麼對映到physical address? 後面討論的是這些.



一. Address space

• Address space
• Process address space是process可以讀取或使用的記憶體. 不同的process中, 彼此的memory address是不相關的. 也有所謂的thread, 可以共享彼此的address space.
• 雖然32位元process可以最多指到4GB的位址, 但process沒有權限存取所有的記憶體. 一個process所能合法存取的記憶體區塊, 又稱作memory area. 透過kernel, process可以在它的address space裡動態增減memory area.
• Memory area包含:
• text section, a memory map of the executable file’s code.
• data section, a memory map of the initialized global variables.
• bss section, a memory map of the zero page containing uninitialized global variables.
• Others.
• Memory descriptor
• 已經知道了process address space, 那kernel用什麼來保存它呢? 用memory descriptor: mm_struct. 這個資料結構中保存了所有process address space的資訊, 位於linux/mm_types.h底下, 其中幾個element:
• mm_user, 指的是使用這個address space的process個數.
• mm_count, primary reference count for the mm_struct. ex. 若有9個thread, 則mm_user=9, mm_count=1. 只有當mm_user=0, mm_count才會變0.
• mmap 和 mm_rb 都是用來存memory area的資訊. 不同的是mmap採用linked list, mm_rb採用紅黑樹.
• Allocating a memory descriptor
• memory descriptor存放在task中process descriptor裡的mm欄. 因此, current->mm 就可以指到現在process的memory descriptor. 函式copy_mm用來複製parent的memory descriptor給child. 透過kernel/fork.c裡的allocate_mm()可以從mm_cache中得到一個mm_struct.
• Destroy a memory descriptor
• 當一個process離開, 會呼叫kernel/exit.c裡的mm_exit(), 當中會呼叫mm_put(), 用來減mm_user. 當mm_user變0, mm_drop()就會被呼叫來減mm_count. 當mm_count變0, 就會呼叫free_mm(), 透過kmem_cache_free()將mm_struct丟回mm_cache.
• mm_struct and kernel thread
• Kernel thread沒有process address space, 也就沒有memory descriptor, 因此kernel thread的 process descriptor 的mm欄位是NULL. Kernel thread的定義亦是: 沒有user context的process.
• Kernel thread 沒有 address space 會有影響嗎? OK的, 因為它不會存取user-space memory. 因為 kernel thread 沒有 user-space pages, 也就不用memory descriptor 和 page tables. 但kernel thread 仍然需要page table等資料, 為了節省記憶體, 以及節省switch的時間, kernel threads 會直接使用前一個process的memory descriptor.
• 當一個process被schedule到, 它會先load mm所指的address space, 再將active_mm指到新的address space上. 而當kernel thread被schedule到, 它看見mm是NULL則會保留原本load的address space, 然後將active_mm指到前一個process的memory descriptor. 這樣kernel thread 就能使用需要的page tables. Kernel thread只會從process address space中拿出屬於kernel memory的資訊, 並不會存取user-space memory. 而且所有process幫忙存的這個資訊是一樣的.



二. memory area

• Virtual memory area
• Kernel如何描述address space中的memroy region呢? 用linux/mm_type.h中的vm_area_struct, 一般也稱作virtual memory area (VMA). 系統把每個memory area都當成一個物件. 每一個物件都有相對應的屬性與操作函式.
• VMA flags
• VM_READ, VM_WRITE, VM_EXEC 這三個是常見的flag, 用來指定memory area中的pages是可以read, 可以write, 或可以執行的.
• Memory area in real life
• 使用cat proc//maps, 可以看見process address space中的memory area. pmap指令也有一樣的功能.



三. Page tables.

• Page tables
• 雖然程式都在virtual memory中執行, 但processor卻會在physical memory上直接操作, 因此當一個virtual memory address被使用, 它會先被轉成physical memory. 而這個轉換機制會透過page table來完成. Page table將virtual address分成幾個片段, 每個片段透過index指向一個table, 而table會指到另一個table或是physical page.
• Linux中, page table分為三層. 最上面那層又叫PGD (page global directory), 由一個型態是pgd_t的array構成. 第二層是PMD (page middle directory), 由pmd_t的array構成. 第三層被簡稱page table, 由型態為pte_t的page table entry構成.
• Page table跟架構有關, 被定義在asm/page.h
• TLB
• 幾乎每次操作virtual address都要透過page table來轉換, 因此效能是一個關鍵. 大部份的processor都使用TLB (translation lookaside buffer) 來加速這個過程, 它的作法即是將virtual-to-physical mapping 暫存起來. 當一個virtual address被存取, processor會先到TLB裡看有沒有hit, 若有則立即回傳physical address, 若沒有再透過page table來查physical address.