从内核世界透视 mmap 内存映射的本质（源码实现篇）

/*
 * Data area - private, writable, not stack
 */
static inline bool is_data_mapping(vm_flags_t flags)
{
    // 本次需要映射的虚拟内存区域是否是私有，可写的（数据区）
    return (flags & (VM_WRITE | VM_SHARED | VM_STACK)) == VM_WRITE;
}

// 进程地址空间中允许映射的虚拟内存总量，单位为字节
# define RLIMIT_AS  9 /* address space limit */
// 进程地址空间中允许用于私有可写（private,writable）的虚拟内存总量，单位字节
# define RLIMIT_DATA  2 /* max data size */

struct mm_struct {
    // 进程地址空间中所有已经映射的虚拟内存页总数
    unsigned long total_vm;    /* Total pages mapped */
    // 进程地址空间中所有私有，可写的虚拟内存页总数
    unsigned long data_vm;     /* VM_WRITE & ~VM_SHARED & ~VM_STACK */
}

// 检查本次映射是否超过了进程虚拟内存空间中的虚拟内存总量的限制，超过则返回 false
bool may_expand_vm(struct mm_struct *mm, vm_flags_t flags, unsigned long npages)
{
    // mm->total_vm 表示当前进程地址空间中映射的虚拟内存页总数
    // npages 表示此次要映射的虚拟内存页个数
    // rlimit(RLIMIT_AS) 表示进程地址空间中允许映射的虚拟内存总量，单位为字节
    if (mm->total_vm + npages > rlimit(RLIMIT_AS) >> PAGE_SHIFT)
        // 如果映射的虚拟内存页总数超出了内核的限制，那么就返回 false 表示虚拟内存不足
        return false;

    // 检查本次映射是否属于数据区域的映射，这里的数据区域指的是私有，可写的虚拟内存区域（栈区除外）
    // 如果是则需要检查数据区域里的虚拟内存页是否超过了内核的限制
    // rlimit(RLIMIT_DATA) 表示进程地址空间中允许映射的私有，可写的虚拟内存总量，单位为字节
    // 如果超过则返回 false，表示数据区虚拟内存不足
    if (is_data_mapping(flags) &&
        mm->data_vm + npages > rlimit(RLIMIT_DATA) >> PAGE_SHIFT) {
        /* Workaround for Valgrind */
        if (rlimit(RLIMIT_DATA) == 0 &&
            mm->data_vm + npages <= rlimit_max(RLIMIT_DATA) >> PAGE_SHIFT)
            return true;

        pr_warn_once("%s (%d): VmData %lu exceed data ulimit %lu. Update limits%s.\n",
                 current->comm, current->pid,
                 (mm->data_vm + npages) << PAGE_SHIFT,
                 rlimit(RLIMIT_DATA),
                 ignore_rlimit_data ? "" : " or use boot option ignore_rlimit_data");

        if (!ignore_rlimit_data)
            return false;
    }

    return true;
}

/*
 * We account for memory if it's a private writeable mapping,
 * not hugepages and VM_NORESERVE wasn't set.
 */
static inline int accountable_mapping(struct file *file, vm_flags_t vm_flags)
{
    /*
     * hugetlb 类型的大页有其自己的统计方式，不会和普通的虚拟内存统计混合
     */
    if (file && is_file_hugepages(file))
        return 0;
    // 私有，可写，并且没有设置 VM_NORESERVE 的相关 VMA 是需要被 account 审计起来的。这样在后续发生缺页的时候，不会导致 OOM
    return (vm_flags & (VM_NORESERVE | VM_SHARED | VM_WRITE)) == VM_WRITE;
}

// 定义在文件：/include/linux/mman.h
extern struct percpu_counter vm_committed_as;

static inline void vm_acct_memory(long pages)
{
 percpu_counter_add_batch(&vm_committed_as, pages, vm_committed_as_batch);
}

static inline void vm_unacct_memory(long pages)
{
 vm_acct_memory(-pages);
}

static int meminfo_proc_show(struct seq_file *m, void *v)
{
    struct sysinfo i;
    unsigned long committed;


    committed = percpu_counter_read_positive(&vm_committed_as);
  
    show_val_kb(m, "Committed_AS:   ", committed);
}

#define
#define
#define

    if (sysctl_overcommit_memory == OVERCOMMIT_GUESS) {
        if (pages > totalram_pages() + total_swap_pages)
            goto error;
        return 0;
    }

 if (sysctl_overcommit_memory == OVERCOMMIT_ALWAYS)
        return 0;

// 用于检查进程虚拟内存空间中是否有足够的虚拟内存可供本次申请使用（需要结合 overcommit 策略来综合判定）
// 返回 0 表示有足够的虚拟内存，返回 ENOMEM 表示虚拟内存不足
int __vm_enough_memory(struct mm_struct *mm, long pages, int cap_sys_admin)
{
    // OVERCOMMIT_NEVER 模式下允许进程申请的虚拟内存大小
    long allowed;
    // 虚拟内存审计字段 vm_committed_as 增加 pages
    vm_acct_memory(pages);

    // 虚拟内存的 overcommit 策略可以通过修改 /proc/sys/vm/overcommit_memory 文件来设置，
    // 它有三个设置选项：
    // OVERCOMMIT_ALWAYS 表示无论应用进程申请多大的虚拟内存，内核总是会答应，分配虚拟内存非常的激进
    if (sysctl_overcommit_memory == OVERCOMMIT_ALWAYS)
        return 0;
    // OVERCOMMIT_GUESS 则相对 always 策略稍微保守一点，也是内核的默认策略
    // 它会对进程能够申请到的虚拟内存大小做一定的限制，特别激进的申请比如申请非常大的虚拟内存则会被拒绝。
    if (sysctl_overcommit_memory == OVERCOMMIT_GUESS) {
        // guess 默认策略下，进程申请的虚拟内存大小不能超过 物理内存总大小和 swap 交换区的总大小之和
        if (pages > totalram_pages() + total_swap_pages)
            goto error;
        return 0;
    }

    // OVERCOMMIT_NEVER 是最为严格的一种控制虚拟内存 overcommit 的策略
    // 进程申请的虚拟内存大小不能超过 vm_commit_limit()，该值也会反应在 /proc/meminfo 中的 CommitLimit 字段中。
    // 只有采用 OVERCOMMIT_NEVER 模式，CommitLimit 的限制才会生效
    // allowed =（总物理内存大小 - 大页占用的内存大小） * 50%  + swap 交换区总大小 
    allowed = vm_commit_limit();

    // cap_sys_admin 表示申请内存的进程拥有 root 权限
    if (!cap_sys_admin)
        // 为 root 进程保存一些内存，这样可以保证 root 相关的操作在任何时候都可以顺利进行
        // 大小为 sysctl_admin_reserve_kbytes，这部分内存普通进程不能申请使用
        // 可通过 /proc/sys/vm/admin_reserve_kbytes 来配置
        allowed -= sysctl_admin_reserve_kbytes >> (PAGE_SHIFT - 10);

    /*
     * Don't let a single process grow so big a user can't recover
     */
    if (mm) {
        // 可通过 /proc/sys/vm/user_reserve_kbytes 来配置
        // 用于在紧急情况下，用户恢复系统，比如系统卡死，用户主动 kill 资源消耗比较大的进程，这个动作需要预留一些 user_reserve 内存
        long reserve = sysctl_user_reserve_kbytes >> (PAGE_SHIFT - 10);

        allowed -= min_t(long, mm->total_vm / 32, reserve);
    }
    // Committed_AS （系统中所有进程已经申请的虚拟内存总量 + 本次 mmap 申请的）不可以超过 CommitLimit（allowed）
    if (percpu_counter_read_positive(&vm_committed_as) < allowed)
        return 0;
error:
    vm_unacct_memory(pages);

    return -ENOMEM;
}

/*
 * Committed memory limit enforced when OVERCOMMIT_NEVER policy is used
 */
unsigned long vm_commit_limit(void)
{
    // 允许申请的虚拟内存大小，单位为页
    unsigned long allowed;
    // 该值可通过 /proc/sys/vm/overcommit_kbytes 来修改
    // sysctl_overcommit_kbytes 设置的是 Committed memory limit 的绝对值
    if (sysctl_overcommit_kbytes)
        // 转换单位为页
        allowed = sysctl_overcommit_kbytes >> (PAGE_SHIFT - 10);
    else
        // sysctl_overcommit_ratio 该值可通过 /proc/sys/vm/overcommit_ratio 来修改，设置的 commit limit 的比例
        // 默认值为 50，（总物理内存大小 - 大页占用的内存大小） * 50%
        allowed = ((totalram_pages() - hugetlb_total_pages())
               * sysctl_overcommit_ratio / 100);

    // 最后都需要加上 swap 交换区的总大小
    allowed += total_swap_pages;
    // （总物理内存大小 - 大页占用的内存大小） * 50%  + swap 交换区总大小 
    return allowed;
}

static int
can_vma_merge_after(struct vm_area_struct *vma, unsigned long vm_flags,
            struct anon_vma *anon_vma, struct file *file,
            pgoff_t vm_pgoff,
            struct vm_userfaultfd_ctx vm_userfaultfd_ctx)
{
    // 判断参数中指定的 vma 能否与其后一个 vma 进行合并
    if (is_mergeable_vma(vma, file, vm_flags, vm_userfaultfd_ctx) &&
        is_mergeable_anon_vma(anon_vma, vma->anon_vma, vma)) {
        pgoff_t vm_pglen;
        // vma 区域的长度
        vm_pglen = vma_pages(vma);
        // 判断 vma 和 next 两个文件映射区域的映射偏移 pgoff 是否是连续的
        if (vma->vm_pgoff + vm_pglen == vm_pgoff)
            return 1;
    }
    return 0;
}

static inline int is_mergeable_vma(struct vm_area_struct *vma,
                struct file *file, unsigned long vm_flags,
                struct vm_userfaultfd_ctx vm_userfaultfd_ctx)
{
    // 对比 prev 和 area 的 vm_flags 是否相同，这里需要排除 VM_SOFTDIRTY
    // VM_SOFTDIRTY 用于追踪进程写了哪些内存页，如果 prev 被标记了 soft dirty，那么合并之后的 vma 也应该继续保留 soft dirty 标记
    if ((vma->vm_flags ^ vm_flags) & ~VM_SOFTDIRTY)
        return 0;
    // prev 和 area 如果是文件映射区的话，这里需要检查两者映射的文件是否相同
    if (vma->vm_file != file)
        return 0;
    // 如果 prev 虚拟内存区域中包含了 close 的操作，后续可能会释放 prev 的资源
    // 所以这种情况下不能和 prev 进行合并，否则就会导致 prev 的资源无法释放
    if (vma->vm_ops && vma->vm_ops->close)
        return 0;
    // userfaultfd 是用来在用户态实现缺页处理的机制，这里需要保证两者的 userfaultfd 相同
    // 不过在 mmap_region 中传入的 vm_userfaultfd_ctx 为 null，这里我们不需要关注
    if (!is_mergeable_vm_userfaultfd_ctx(vma, vm_userfaultfd_ctx))
        return 0;
    return 1;
}

 if (area && area->vm_end == end)        
        next = next->vm_next;

struct vm_area_struct *vma_merge(struct mm_struct *mm,
            struct vm_area_struct *prev, unsigned long addr,
            unsigned long end, unsigned long vm_flags,
            struct anon_vma *anon_vma, struct file *file,
            pgoff_t pgoff, struct mempolicy *policy,
            struct vm_userfaultfd_ctx vm_userfaultfd_ctx)
{
    // 本次需要创建的 VMA 区域大小
    pgoff_t pglen = (end - addr) >> PAGE_SHIFT;
    // area 表示当前要创建的 VMA，next 表示 area 的下一个 VMA
    // 事实上 area 会在其 prev 前一个 VMA 和 next 后一个 VMA 之间的间隙 gap 中创建产生
    struct vm_area_struct *area, *next;
    int err;

    // 设置了 VM_SPECIAL 表示 area 区域是不可以被合并的，只能重新创建 VMA，直接退出合并流程。
    if (vm_flags & VM_SPECIAL)
        return NULL;
    // 根据 prev vma 是否存在，设置 area 的 next vma，基本布局 1
    if (prev)
        // area 将在 prev vma 和 next vma 的间隙 gap 中产生
        next = prev->vm_next;
    else
        // 如果 prev 不存在，那么 next 就设置为地址空间中的第一个 vma。
        next = mm->mmap;

    area = next;
    // 新 vma 的 end 与 next->vm_end 相等 ，表示新 vma 与 next vma 是重合的，基本布局 2
    // 那么 next 指向下一个 vma，prev 和 next 这里的语义是始终指向 area 区域的前一个和后一个 vma
    if (area && area->vm_end == end)        /* cases 6, 7, 8 */
        next = next->vm_next;
 
    // 判断 area 是否能够和 prev 进行合并
    if (prev && prev->vm_end == addr &&
            mpol_equal(vma_policy(prev), policy) &&
            can_vma_merge_after(prev, vm_flags,
                        anon_vma, file, pgoff,
                        vm_userfaultfd_ctx)) {
        /*
         * 如何 area 可以和 prev 进行合并，那么这里继续判断 area 能够与 next 进行合并
         * 内核这里需要保证 vma 合并程度的最大化
         */
        if (next && end == next->vm_start &&
                mpol_equal(policy, vma_policy(next)) &&
                can_vma_merge_before(next, vm_flags,
                             anon_vma, file,
                             pgoff+pglen,
                             vm_userfaultfd_ctx) &&
                is_mergeable_anon_vma(prev->anon_vma,
                              next->anon_vma, NULL)) {
            // 流程走到这里表示 area 可以和它的 prev ，next 区域进行合并  /* cases 1,6 */
            // __vma_adjust 是真正执行 vma 合并操作的函数，这里会重新调整已有 vma 的相关属性，比如：vm_start,vm_end,vm_pgoff。以及涉及到相关数据结构的改变
            err = __vma_adjust(prev, prev->vm_start,
                     next->vm_end, prev->vm_pgoff, NULL,
                     prev);
        } else                  /* cases 2, 5, 7 */
            // 流程走到这里表示 area 只能和 prev 进行合并
            err = __vma_adjust(prev, prev->vm_start,
                     end, prev->vm_pgoff, NULL, prev);
        if (err)
            return NULL;
        khugepaged_enter_vma_merge(prev, vm_flags);
        // 返回最终合并好的 vma
        return prev;
    }

    // 下面这种情况属于，area 的结束地址 end 与 next 的起始地址是重合的
    // 但是 area 的起始地址 start 和 prev 的结束地址不是重合的
    if (next && end == next->vm_start &&
            mpol_equal(policy, vma_policy(next)) &&
            can_vma_merge_before(next, vm_flags,
                         anon_vma, file, pgoff+pglen,
                         vm_userfaultfd_ctx)) {
        // area 区域前半部分和 prev 区域的后半部分重合
        // 那么就缩小 prev 区域，然后将 area 合并到 next 区域
        if (prev && addr < prev->vm_end)    /* case 4 */
            err = __vma_adjust(prev, prev->vm_start,
                     addr, prev->vm_pgoff, NULL, next);
        else {                  /* cases 3, 8 */
            // area 区域前半部分和 prev 区域是有间隙 gap 的
            // 那么这种情况下 prev 不变，area 合并到 next 中
            err = __vma_adjust(area, addr, next->vm_end,
                     next->vm_pgoff - pglen, NULL, next);
            // 合并后的 area
            area = next;
        }
        if (err)
            return NULL;
        khugepaged_enter_vma_merge(area, vm_flags);
        // 返回合并后的 vma
        return area;
    }
    
    // prev 的结束地址不与 area 的起始地址重合，并且 area 的结束地址不与 next 的起始地址重合
    // 这种情况就不能执行合并，需要为 area 重新创建新的 vma 结构
    return NULL;
}