程序地址空間 get_unmapped_area()

在向資料結構插入新的記憶體區域之前，核心必須確認虛擬地址空間中有足夠的空閒空間，可用於給定長度的區域。該工作由get_unmmaped_area()完成。
在分析get_unmmaped_area()之前，先簡單介紹一下程序地址空間的佈局。
程序地址空間 經典佈局：

經典佈局的缺點：在x86_32,虛擬地址空間從0到0xc0000000,每個使用者程序有3GB可用。TASK_UNMAPPED_BASE一般起始於0x4000000（即1GB）。這意味著堆只有1GB的空間可供使用，繼續增長則進入到mmap區域。這時mmap區域是自底向上擴充套件的。
針對這個問題，引入了新的虛擬地址空間：

與經典佈局不同的是：使用固定值限制棧的最大長度。由於棧是有界的，因此安置記憶體對映的區域可以在棧末端的下方立即開始。這時mmap區是自頂向下擴充套件的。由於堆仍然位於虛擬地址空間中較低的區域並向上增長，因此mmap區域和堆可以相對擴充套件，直至耗盡虛擬地址空間中剩餘的區域。
選擇佈局的工作由arch_pick_mmap_layout完成。其中arch_get_unmapped_area()完成從低地址向高地址建立新的對映，而arch_get_unmapped_area_topdown()完成從高地址向低地址建立新的對映。

include/linux/sched.h

...
#ifdef CONFIG_MMU
extern void arch_pick_mmap_layout(struct mm_struct *mm);
...
#else
static inline void arch_pick_mmap_layout(struct mm_struct *mm) {}
#endif


mm/util.c

...
/* HAVE_ARCH_PICK_MMAP_LAYOUT : 體系結構是否想要在不同mmap區域佈局之間做出選擇 */
#if defined(CONFIG_MMU) && !defined(HAVE_ARCH_PICK_MMAP_LAYOUT)
/* 經典佈局 */
void arch_pick_mmap_layout(struct mm_struct *mm)
{
    mm->mmap_base = TASK_UNMAPPED_BASE;
    mm->get_unmapped_area = arch_get_unmapped_area;
}
#endif

arch/x86/mm/mmap.c

...
/*
 * This function, called very early during the creation of a new
 * process VM image, sets up which VM layout function to use:
 */
void arch_pick_mmap_layout(struct mm_struct *mm)
{
    unsigned long random_factor = 0UL;

    /* 
    * 設定了PF_RANDOMEIZE, 則核心不會為棧和記憶體對映的起點選擇固定
    * 位置，而是在每次新程序啟動時，隨機改變這些值的設定
    */
    if (current->flags & PF_RANDOMIZE)
        random_factor = arch_mmap_rnd();

    mm->mmap_legacy_base = mmap_legacy_base(random_factor);

    if (mmap_is_legacy()) {
        mm->mmap_base = mm->mmap_legacy_base;
        mm->get_unmapped_area = arch_get_unmapped_area;
    } else {
        mm->mmap_base = mmap_base(random_factor);
        mm->get_unmapped_area = arch_get_unmapped_area_topdown;
    }
}
 

現在我們看看get_unmapped_area()中的一些細節。

unsigned long get_unmapped_area(struct file *file, unsigned long addr, 
            unsigned long len,unsigned long pgoff, unsigned long flags)
{
    unsigned long (*get_area)(struct file *, unsigned long,
                         unsigned long, unsigned long, unsigned long);

    unsigned long error = arch_mmap_check(addr, len, flags);
    if (error)
        return error;

    /* Careful about overflows.. */
    if (len > TASK_SIZE)
        return -ENOMEM;

    get_area = current->mm->get_unmapped_area;
    /* 根據線性地址區間是否應該用於檔案記憶體對映或匿名記憶體對映 */
    if (file && file->f_op->get_unmapped_area)
        get_area = file->f_op->get_unmapped_area;
    /* 
     * 當不是用於檔案記憶體對映或是匿名記憶體對映，
     * 呼叫current->mm->get_unmapped_area. 
     * 即呼叫arch_get_unmapped_area或arch_get_unmapped_area_topdown
     */
    addr = get_area(file, addr, len, pgoff, flags);
    if (IS_ERR_VALUE(addr))
        return addr;

    if (addr > TASK_SIZE - len)
        return -ENOMEM;
    if (offset_in_page(addr))
        return -EINVAL;

    addr = arch_rebalance_pgtables(addr, len);
    error = security_mmap_addr(addr);
    return error ? error : addr;
}

EXPORT_SYMBOL(get_unmapped_area);
 

以arch_get_unmapped_area為例。當addr非空，表示指定了一個特定的優先選用地址，核心會檢查該區域是否與現存區域重疊，由find_vma()完成查詢功能。當addr為空或是指定的優先地址不滿足分配條件時，核心必須遍歷程序中可用的區域，設法找到一個大小適當的空閒區域，有vm_unmapped_area()做實際的工作。

unsigned long arch_get_unmapped_area(struct file *filp, unsigned long addr,
        unsigned long len, unsigned long pgoff, unsigned long flags)
{
    struct mm_struct *mm = current->mm;
    struct vm_area_struct *vma;
    struct vm_unmapped_area_info info;

    if (len > TASK_SIZE - mmap_min_addr)
        return -ENOMEM;

    /* MAP_FIXED : 表示對映將在固定地址建立 */
    if (flags & MAP_FIXED)
        return addr;

    if (addr) {
        addr = PAGE_ALIGN(addr);
        /* 
         * find_vma() 尋找第一個滿足 addr < vm_area_struct->vm_end 的vma區
         * vma = NULL 在vma紅黑樹的右子樹，addr 是所存在的所有線性區線性地址最大
         * vma != NULL 一定是tmp == NULL (tmp在find_vma指向當前結點)跳出迴圈的
         */ 
        vma = find_vma(mm, addr);

    /*
     * 以下分別判斷：
     * 1: 請求分配的長度是否小於程序虛擬地址空間大小
     * 2: 新分配的虛擬地址空間的起始地址是否在mmap_min_addr(允許分配虛擬地址空間的最低地址)之上
     * 3: vma是否空
     * 4: vma非空，新分配的虛擬地址空間，是否與相鄰的vma重合
     */
    if (TASK_SIZE - len >= addr && addr >= mmap_min_addr &&
        (!vma || addr + len <= vma->vm_start))
        return addr;
}

    info.flags = 0;
    info.length = len;
    info.low_limit = mm->mmap_base;
    info.high_limit = TASK_SIZE;
    info.align_mask = 0;
    return vm_unmapped_area(&info);
}

/*
* Search for an unmapped address range.
*
* We are looking for a range that:
* - does not intersect with any VMA;
* - is contained within the [low_limit, high_limit) interval;
* - is at least the desired size.
* - satisfies (begin_addr & align_mask) == (align_offset & align_mask)
*/
static inline unsigned long vm_unmapped_area(struct vm_unmapped_area_info *info)
{
    /* arch_get_unmapped_area是低地址到高地址建立對映 所以這時預設呼叫unmapped_area */
    if (info->flags & VM_UNMAPPED_AREA_TOPDOWN)
        return unmapped_area_topdown(info);
    else
        return unmapped_area(info);
}

在分析unmapped_area()之前，我認為有必要搞清楚vm_area_struct結構體中rb_subtree_gap的含義。在http://patchwork.ozlabs.org/patch/197340/ 這樣解釋：
Define vma->rb_subtree_gap as the largest gap between any vma in the subtree rooted at that vma, and their predecessor. Or, for a recursive definition, vma->rb_subtree_gap is the max of:
- vma->vm_start - vma->vm_prev->vm_end
- rb_subtree_gap fields of the vmas pointed by vma->rb.rb_left and
vma->rb.rb_right

rb_subtree_gap是當前結點與其前驅結點之間空隙 和 當前結點其左右子樹中的結點間的最大空隙的最大值。
unmapped_area():先檢查程序虛擬地址空間中可用於對映空間的邊界，不滿足要求返回錯誤代號到上層應用程式。當滿足時，執行以下操作，為了找到最小的空閒的虛擬地址空間滿足這次分配請求，便於兩個相鄰的vma區合併。
步驟如下：
1. 從vma紅黑樹的根開始遍歷
2. 若當前結點有左子樹則遍歷其左子樹，否則指向其右孩子。
3. 當某結點rb_subtree_gap可能是最後一個滿足分配請求的空隙時，遍歷結束。
4. 檢測這個結點，判斷這個結點與其前驅結點之間的空隙是否滿足分配請求。滿足則跳出迴圈。
5. 不滿足分配請求時，指向其右孩子，判斷其右孩子的rb_subtree_gap是否滿足當前請求。
6. 滿足則返回到2。不滿足，回退其父結點,返回到4

unsigned long unmapped_area(struct vm_unmapped_area_info *info)
{
    /*
    * We implement the search by looking for an rbtree node that
    * immediately follows a suitable gap. That is,
    * - gap_start = vma->vm_prev->vm_end <= info->high_limit - length;
    * - gap_end   = vma->vm_start        >= info->low_limit  + length;
    * - gap_end - gap_start >= length
    */

    struct mm_struct *mm = current->mm;
    struct vm_area_struct *vma;
    unsigned long length, low_limit, high_limit, gap_start, gap_end;

    /* Adjust search length to account for worst case alignment overhead */
    length = info->length + info->align_mask;
    if (length < info->length)
        return -ENOMEM;

    /* Adjust search limits by the desired length */
    if (info->high_limit < length)
        return -ENOMEM;
    high_limit = info->high_limit - length;

    if (info->low_limit > high_limit)
        return -ENOMEM;
    low_limit = info->low_limit + length;

    /* Check if rbtree root looks promising */
    if (RB_EMPTY_ROOT(&mm->mm_rb))
        goto check_highest;
    vma = rb_entry(mm->mm_rb.rb_node, struct vm_area_struct, vm_rb);
    if (vma->rb_subtree_gap < length)
        goto check_highest;

    while (true) {
    /* Visit left subtree if it looks promising */
    /* 先從低地址開始查詢 */
        gap_end = vma->vm_start;
        if (gap_end >= low_limit && vma->vm_rb.rb_left) {
            struct vm_area_struct *left =
                rb_entry(vma->vm_rb.rb_left,struct vm_area_struct, vm_rb);
        /*
         * 查詢到最後一個空隙可能滿足這次分配，
         * 說明 addr 從低地址向高地址 分配 。
         * 便於相鄰的兩個vma合併。
         */
            if (left->rb_subtree_gap >= length) {
                vma = left;
                continue;
            }
    }

    /* 當前結點的rb_subtree_gap 已經是最後一個可能滿足這次分配 */
    gap_start = vma->vm_prev ? vma->vm_prev->vm_end : 0;
check_current:
    /* Check if current node has a suitable gap */
    if (gap_start > high_limit)
        return -ENOMEM;
    if (gap_end >= low_limit && gap_end - gap_start >= length)
        goto found;

    /* Visit right subtree if it looks promising */
    /*
    * 當前結點與其前驅的空隙也不能滿足這次請求, 
    * 檢測當前結點的右孩子的 rb_subtree_gap
    */ 
    if (vma->vm_rb.rb_right) {
        struct vm_area_struct *right =
            rb_entry(vma->vm_rb.rb_right,
                 struct vm_area_struct, vm_rb);
        /*
         * 以右孩子為根的樹中 rb_subtree_gap 來滿足這次的請求
         * case 1:若滿足，又從當前結點的右結點的左子樹開始尋找
         * case 2:若不滿足，說明當前結點 左右子樹沒有滿足這次請求的空隙,
         *        所以回退到上個結點
         */
        if (right->rb_subtree_gap >= length) {//case 1
            vma = right;
            continue;
        }
    }

    /* Go back up the rbtree to find next candidate node */
    while (true) {//case 2
        struct rb_node *prev = &vma->vm_rb;
        if (!rb_parent(prev))
            goto check_highest;
        vma = rb_entry(rb_parent(prev),
                   struct vm_area_struct, vm_rb);
        // 當前結點的前驅只可能是其左孩子。因為rb_subtree_gap是當前結點與其前驅的空隙
        if (prev == vma->vm_rb.rb_left) {
            gap_start = vma->vm_prev->vm_end;
            gap_end = vma->vm_start;
            goto check_current;
            }
        }
    }

    check_highest:
        /* Check highest gap, which does not precede any rbtree node */
        gap_start = mm->highest_vm_end;
        gap_end = ULONG_MAX;  /* Only for VM_BUG_ON below */
        if (gap_start > high_limit)
        return -ENOMEM;

found:
    /* We found a suitable gap. Clip it with the original low_limit. */
    if (gap_start < info->low_limit)
        gap_start = info->low_limit;

    /* Adjust gap address to the desired alignment */
    gap_start += (info->align_offset - gap_start) & info->align_mask;

    VM_BUG_ON(gap_start + info->length > info->high_limit);
    VM_BUG_ON(gap_start + info->length > gap_end);
    return gap_start;
}

參考原始碼：linux-4.4