第4篇：缺页处理与 mmap 生命周期 — do_anonymous_page、COW 与 VMA 操作¶
源码：
mm/memory.cmm/mmap.c| 头文件：include/linux/mm.h
系列目录：内存管理 内核源码深度解析
1. struct vm_fault — 缺页上下文¶
// include/linux/mm.h:715-759
struct vm_fault {
const struct {
struct vm_area_struct *vma; // 出错的 VMA
gfp_t gfp_mask; // 分配掩码
pgoff_t pgoff; // 页偏移
unsigned long address; // 虚拟地址
unsigned long real_address; // 未对齐的真实地址
};
enum fault_flag flags; // FAULT_FLAG_WRITE/FAULT_FLAG_USER 等
pmd_t *pmd;
pud_t *pud;
union { pte_t orig_pte; pmd_t orig_pmd; };
struct page *cow_page; // ★ COW 时分配的新页
struct page *page; // 映射到进程的页
pte_t *pte; // 页表项指针
spinlock_t *ptl; // 页表锁
};
2. 缺页入口 — handle_mm_fault¶
// mm/memory.c:6699
vm_fault_t handle_mm_fault(struct vm_area_struct *vma,
unsigned long address, unsigned int flags,
struct pt_regs *regs)
{
// ① 检查 arch_vma_access_permitted
// ② hugetlb? → hugetlb_fault
// ③ 正常 → __handle_mm_fault(vma, address, flags)
}
// mm/memory.c:6465
static vm_fault_t __handle_mm_fault(struct vm_area_struct *vma,
unsigned long address, unsigned int flags)
{
// ① 逐级分配页表: pgd_offset → p4d_alloc → pud_alloc → pmd_alloc
// ② 检查 PMD 级别的 THP: pmd_trans_huge → handle PTE 级别 fallback
// ③ 最终调用: handle_pte_fault(&vmf)
}
3. 四种缺页分支 — handle_pte_fault¶
handle_pte_fault(vmf)
│
├── pte_none?
│ └── do_pte_missing(vmf) [memory.c:4561]
│ ├── vma->vm_ops 有 fault? → do_fault(vmf) [memory.c:6013]
│ └── 无 → do_anonymous_page(vmf) [memory.c:5337]
│
├── !pte_present?
│ └── do_swap_page(vmf) ← 从 swap 换入
│
├── pte_protnone && vma_is_accessible?
│ └── do_numa_page(vmf) ← NUMA 自动迁移
│
└── FAULT_FLAG_WRITE && !pte_write?
└── do_wp_page(vmf) ← Copy-on-Write [memory.c:4244]
4. do_anonymous_page — 匿名页分配¶
// memory.c:5337
static vm_fault_t do_anonymous_page(struct vm_fault *vmf)
{
struct vm_area_struct *vma = vmf->vma;
// 从 buddy 分配一个 zeroed 4KB 页
folio = vma_alloc_zeroed_movable_folio(vma, vmf->address); // line 5372
// 设置 pte: 写权限 + 脏标志
entry = mk_pte(&folio->page, vma->vm_page_prot);
if (vmf->flags & FAULT_FLAG_WRITE)
entry = pte_mkwrite(pte_mkdirty(entry), vma);
// ★ 安装页表项
set_pte_at(vma->vm_mm, vmf->address, vmf->pte, entry);
return 0;
}
这是最常见的缺页路径：malloc/fork/stack 扩展等第一次访问内存时走这里。
5. do_fault — 文件映射缺页¶
// memory.c:6013
static vm_fault_t do_fault(struct vm_fault *vmf)
{
// ① fault-around: 预取相邻页面（提高顺序读取性能）
do_fault_around(vmf); // memory.c:5843
// ② 从 page cache 读取
folio = __filemap_get_folio(vmf->vma->vm_file->f_mapping,
vmf->pgoff, ...);
if (!folio) {
// page cache miss → 从磁盘读
ret = vmf->vma->vm_ops->fault(vmf);
}
// ③ 安装 PTE
entry = mk_pte(&folio->page, vma->vm_page_prot);
set_pte_at(vma->vm_mm, vmf->address, vmf->pte, entry);
}
6. do_wp_page — Copy-on-Write¶
// memory.c:4244
static vm_fault_t do_wp_page(struct vm_fault *vmf)
{
struct vm_area_struct *vma = vmf->vma;
// ① 如果该页只有一个映射者（!_mapcount）→ 可以直接重用
if (folio_ref_count(folio) == 1) {
// ★ 直接赋写权限，无需复制
entry = pte_mkwrite(entry, vma);
set_pte_at(vma->vm_mm, vmf->address, vmf->pte, entry);
return 0;
}
// ② 分配新页
new_folio = vmf->cow_page;
// ③ 复制旧页内容到新页
copy_user_highpage(&new_folio->page, &folio->page,
vmf->address, vma);
// ④ 安装新 PTE（写权限）
entry = pte_mkwrite(mk_pte(&new_folio->page, vma->vm_page_prot), vma);
set_pte_at(vma->vm_mm, vmf->address, vmf->pte, entry);
}
COW 是 fork 高效的关键：fork 后父子进程共享所有页，只在第一次写入时才真正复制。这就是 vfork 比 fork+exec 快的原因——exec 直接替换页表，不需要 COW。
7. mmap — VMA 的创建¶
// mm/mmap.c:336
unsigned long do_mmap(struct file *file, unsigned long addr,
unsigned long len, unsigned long prot,
unsigned long flags, vm_flags_t vm_flags,
unsigned long pgoff, unsigned long *populate,
struct once_per_mmap_args *args)
{
// ① 验证: 检查 MAP_FIXED 冲突、地址对齐
// ② 找间隙: 在 mm->mmap_tree 中找空闲 VMA 区域
// ③ 分配 VMA: vm_area_alloc → 设置 vm_start/end/flags/ops
// ④ 调用 mmap_region: 插入 VMA 到 mm->mmap_tree
// ⑤ mm_populate: 如果 MAP_POPULATE → 预填充页表
}
struct vm_operations_struct (mm.h:768) 是 VMA 的操作表：
struct vm_operations_struct {
void (*open)(struct vm_area_struct *area);
void (*close)(struct vm_area_struct *area);
vm_fault_t (*fault)(struct vm_fault *vmf); // ★ 缺页回调
vm_fault_t (*huge_fault)(struct vm_fault *vmf); // THP 缺页回调
vm_fault_t (*map_pages)(struct vm_fault *vmf, pgoff_t start, pgoff_t end);
int (*mremap)(struct vm_area_struct *vma, struct vm_area_struct *new_vma);
int (*mprotect)(struct vm_area_struct *vma, unsigned long start, unsigned long end, unsigned long newflags);
// ...
};
8. mlock — 锁定内存¶
// mm/mlock.c:618
static int do_mlock(unsigned long start, size_t len, vm_flags_t flags)
{
// ① mlock_fixup: 调整 VMA flags (VM_LOCKED)
// ② 遍历页表: 逐页调用 mlock_pte_range
// → 把 folio 从可回收 LRU 移到 unevictable LRU
// → 标记 VM_LOCKED
// ③ 预填充: mm_populate → 防止后续的 mlock page fault
}
9. madvise — 内存使用建议¶
关键 advice 参数：
| behavior | 含义 |
|---|---|
| MADV_DONTNEED | 丢弃页内容（下次访问从 0 开始） |
| MADV_FREE | 标记页为"可回收"（有 swap 时先换出） |
| MADV_MERGEABLE | 允许 KSM 合并此区域 |
| MADV_HUGEPAGE | 建议使用 THP |
| MADV_NOHUGEPAGE | 禁止 THP |
| MADV_COLD | 标记页为"冷的"（优先被回收） |
| MADV_PAGEOUT | 立即换出这些页 |
| MADV_WILLNEED | 预读（populate page cache） |
10. 完整生命周期图¶
用户态: malloc / mmap
→ do_mmap → 创建 VMA（仅虚拟地址空间，无物理页）
→ 第一次访问 → 缺页 → handle_mm_fault → do_anonymous_page → 分配 4KB 页
→ 写入 → COW → do_wp_page → 分配新页+复制
→ fork → 子进程共享所有页(PROT_READ)
→ 子进程写入 → do_wp_page → 各自独立物理页
用户态: mmap(file)
→ 第一次读 → page cache miss → do_fault → 从磁盘读 → 安装 PTE
→ 修改 → mark dirty → writeback
用户态: munmap
→ 释放 PTE → TLB flush → refcount-- (folio可能回到buddy或file cache)
→ 释放 VMA 结构
下一篇文章¶
→ 第5篇：THP、Compaction 与 KSM — 大页、碎片整理与同页合并