深入了解Linux内核反向映射机制

Cheetah，曾为U-boot社区和Linux内核社区提交过若干补丁，主要从事Linux相关系统软件开发工作，负责Soc芯片BringUp及系统软件开发，喜欢阅读内核源代码，在不断的学习和工作中深入理解内存管理，进程调度，文件系统，设备驱动等内核子系统。

为了系统的安全性，Linux内核将各个用户进程运行在各自独立的虚拟地址空间，用户进程之间通过虚拟地址空间相互隔离，不能相互访问，一个进程的奔溃不会影响到整个系统的异常也不会干扰到系统以及其他进程运行。

Linux内核可以通过共享内存的方式为系统节省大量内存，例如fork子进程的时候，父子进程通过只读的方式共享所有的私有页面。再比如通过IPC共享内存方式，各个不相干的进程直接可以共享一块物理内存等等。

我们都知道操作系统开启mmu之后cpu访问到的都是虚拟地址，当cpu访问一个虚拟地址的时候需要通过mmu将虚拟地址转化为物理地址，这叫做正向映射。而与本文相关的是反向映射，它主要是通过物理页来找到共享这个页的所有的vma对应的页表项，这是本文讨论的问题。

但是后来匿名页的反向映射遇到了效率和锁竞争激烈问题，就促使了目前使用的通过avc的方式联系各层级反向映射结构然后将锁的粒度降低的这种方式。可以看到反向映射的发展是伴随着Linux内核的发展而发展，是一个不断进行优化演进的过程。

反向映射应用场景

那么为何在Linux内核中需要反向映射这种机制呢?它究竟为了解决什么样的问题而产生的呢?

试想有如下场景：

(1)一个物理页面被多个进程的vma所映射，系统过程中发生了内存不足，需要回收一些页面，正好发现这个页面是适合我们回收利用的，我们能够直接把这个页面还给伙伴系统吗?答案肯定是不能。因为这个页面被很多个进程所共享，我们必须做的事情就是断开这个页面的所以映射关系，这就是反向映射所做的事情。

(2)一些情况我们需要将一个页面迁移到另一个页面，但是牵一发而动全身，可能有一些进程已经映射这个即将要迁移的页面到自己的vma中，那么这个时候同样需要我们知道究竟这个页面被哪些vma所映射呢?这同样是反向映射所做的事情。

实际上，反向映射的主要应用场景为内存回收和页面迁移，当系统发生内存回收和页面迁移的时候，对于每一个候选页Linux内核都会判断是否为映射页，如果是，就会调用try_to_unmap 来解除页表映射关系，本文也主要来从try_to_unmap函数来解读反向映射机制。

如果我们在细致到其他的内核子系统会发现，在内存回收，内存碎片整理，CMA, 巨型页，页迁移等各个场景中都能发现反向映射所做的关键性的工作，所有理解反向映射机制在Linux内核中的实现是理解掌握这些子系统的基础和关键性所在，否则你即将不能理解这些技术背后的脊髓所在，所以说理解反向映射这种机制对于理解Linux内核内存管理是至关重要的!!!

（编辑：济源站长网）

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