Linux brk(),mmap()系统调用源码分析 brk()的内存释放流程

荣涛 2021年4月30日

内核版本：linux-5.10.13
注释版代码：https://github.com/Rtoax/linux-5.10.13

1. 基础部分

在上篇文章中已经介绍了基础部分《Linux内存管理 brk(),mmap()系统调用源码分析1：基础部分》，本文介绍brk的释放部分。

下面开始介绍brk释放流程。

brk会提高或者降低堆顶位置，从而达到分配和释放用户地址空间的效果。

首先获取brk开始的地方，如果新的brk小于最小的brk，直接退出：

min_brk = mm->start_brk;
if (brk < min_brk)goto out;

接着，检测进程允许的数据大小，如果超限，直接退出：

if (check_data_rlimit(rlimit(RLIMIT_DATA), brk, mm->start_brk,mm->end_data, mm->start_data))goto out;

上面的结构就像上节提高过的地址空间，其中数据结构如下：

+-------+ brk
|       |
|       |   堆
|  heap |
+-------+ mm->start_brk
|       |
|  ...  |
|       |
+-------+ mm->end_data
|       |
|  data |   数据段
|       |
+-------+ mm->start_data

接着将brk页对齐newbrk = PAGE_ALIGN(brk);，这也是为什么申请几个字节的数据，越界使用也不会出错，但是超出页大小就会段错误的原因。然后获取上次brk的也对齐位置，当这两个数值对齐后相等，那么就可以直接推出了：

 newbrk = PAGE_ALIGN(brk);       /* 新的 brk ：页对齐，申请大小对齐 page */oldbrk = PAGE_ALIGN(mm->brk);   /* 旧的 brk */if (oldbrk == newbrk) { /* brk 位置没有发生变化 */mm->brk = brk;goto success;}

如果新的brk小于上次的brk呢？很好理解，就是对应free/release操作呗，brk <= mm->brk。

2. 释放

如果brk <= mm->brk，首先更新brk位置mm->brk = brk;，然后调用__do_munmap函数，

__do_munmap(mm, newbrk, oldbrk-newbrk, &uf, true)

参数列表为：

mm：进程地址空间mm_struct结构；
newbrk：新的页对齐的brk位置；
oldbrk-newbrk：长度（也是页对齐的）；
uf：链表头，在上面初始化LIST_HEAD(uf);；
true：代表downgrade；

此时的关系为：

+-------+ oldbrk
|       |
|       |
|       | newbrk ~ mm->brk 约等于，页对齐
|       |
|       |
+-------+ mm->start_brk

下面详细看下__do_munmap函数实现。

3. __do_munmap

函数原型为：

int __do_munmap(struct mm_struct *mm, unsigned long start, size_t len,struct list_head *uf, bool downgrade)

也就是说，他是这样的：

+-------+---
|       |
|       | len
|       |--- start = newbrk(页对齐位置)
|       |
|       |
+-------+ mm->start_brk

接收，首先是否超出判断：

 if ((offset_in_page(start)) || start > TASK_SIZE || len > TASK_SIZE-start)return -EINVAL;

因为已经进行了页对齐，start在页内偏移一定为0，所以offset_in_page(start)为真时，返回错误，另外两个判断是对大小的判断。

接着，获取有几个页的长度len = PAGE_ALIGN(len);，这里如果没问题的话，len应该等于0,4096,8192这些数值，然后计算结束点位置end = start + len，即：

+-------+--- end
|       |
|       | len
|       |--- start
|       |
|       |
+-------+ mm->start_brk

接着就调用架构相关的unmap函数arch_unmap，在x86下这个函数为空：

static inline void arch_unmap(struct mm_struct *mm, unsigned long start,unsigned long end)/*  */
{}

然后，将start转化为vma（搜索），使用find_vma，为了加速，里面会首先看cache中是不是有vmacache_find，为了加速查找，vma是保存在mm的红黑树中，可从数据结构中查阅。关于find_vma的详细介绍不在过多赘述。

至此，就获取到了start地址所属的VMA结构vma

    +-------+--- end|       |                   +-------+|       | len               |  VMA  ||       |--- start -------->|       ||       |                   |       ||       |                   |       |+-------+ mm->start_brk     |       |+-------+

下一步获取上一个vma结构（双向链表）prev = vma->vm_prev

    +-------+--- end|       |                   +-------+ vma->vm_end|       | len               |  vma  ||       |--- start -------->|       ||       |                   |       ||       |                   |       |+-------+ mm->start_brk     |       ||       |+-------+ vma->vm_start+-------+ | prev  ||       ||       ||       ||       ||       |+-------+

接下来检测vma->vm_start >= end（内核真的是比较鲁棒，各种安全检测）。紧接着，又是检测start > vma->vm_start，这种情况是啥呢？

    +-------+--- end|       |                   +-------+ vma->vm_end|       | len               |  vma  ||       |--- start -------->|       | <-- end|       |                   |       ||       |                   |       | <-- start+-------+ mm->start_brk     |       ||       |+-------+ vma->vm_start

这里简单介绍一个变量sysctl_max_map_count，它是内核sysctl参数，默认值为65530。

如果是上图情况，将直接返回

     if (end < vma->vm_end && mm->map_count >= sysctl_max_map_count) return -ENOMEM;

否则如果是这种情况：

    +-------+--- end|       |                   +-------+ vma->vm_end |       | len               |  vma  ||       |--- start -------->|       | <-- end|       |                   |       ||       |                   |       | <-- start+-------+ mm->start_brk     |       ||       |+-------+ vma->vm_start

进行vma的分割，使用__split_vma函数实现。下面详细介绍。

3.1. __split_vma

函数原型为：

int __split_vma(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma,unsigned long addr, int new_below)

在上面的情况中参数对应关系为：

    +-------+--- end|       |                   +-------+ vma->vm_end|       | len               |  vma  ||       |--- start -------->|       | <-- end|       |                   |       ||       |                   |       | <-- addr ****+-------+ mm->start_brk     |       ||       |+-------+ vma->vm_start

new_below=0

首先使用vm_area_dup为新的vma分配内存（kmem_alloc），并且这个结构没有加入链表中new->vm_next = new->vm_prev = NULL。当new_below=0时，new->vm_start = addr，并计算其在页中的偏移new->vm_pgoff += ((addr - vma->vm_start) >> PAGE_SHIFT)。接着调用vma_dup_policy赋值内存策略，这是和NUMA相关的。然后进行匿名vma克隆anon_vma_clone，这和反向映射相关，本文不做过多解释。

紧接着，判断是否为文件映射，如果是，增加file结构的引用计数，如果vm_ops存在，调用open方法：

 if (new->vm_file)get_file(new->vm_file);if (new->vm_ops && new->vm_ops->open)new->vm_ops->open(new);

上面的两步，不是本文的重点，下面调用vma_adjust函数。需要说明的是，在调用vma_adjust之前，new的结构是这样的：

                                          <-- end+-------+--- end|       |                   +-------+ vma->vm_end   +-------+|       | len               |  vma  |               |       ||       |--- start -------->|       |               |  new  ||       |                   |       |               |       ||       |                   |       | <-- addr **** +-------+ <-- new->vm_start+-------+ mm->start_brk     |       ||       |+-------+ vma->vm_start

vma_adjust会调用__vma_adjust

static inline int vma_adjust(struct vm_area_struct *vma, unsigned long start,unsigned long end, pgoff_t pgoff, struct vm_area_struct *insert)
{return __vma_adjust(vma, start, end, pgoff, insert, NULL);
}

__vma_adjust函数的注释是：

如果不调整树，则无法调整i_mmap树中已经存在的vma的vm_start，vm_end，vm_pgoff字段。当需要进行此类调整时，应使用以下帮助器功能。在插入必要的锁之前，将插入“insert” vma（如果有）。

3.2. __vma_adjust

这个函数比较复杂。

函数原型为：

int __vma_adjust(struct vm_area_struct *vma, unsigned long start,unsigned long end, pgoff_t pgoff, struct vm_area_struct *insert,struct vm_area_struct *expand)

对应参参数变量分别为：

vma：当前操作传递vma结构；
start：vma->vm_start；
end：addr，也就是new的vm_start；
pgoff：vma->vm_pgoff；
insert：new；
expand：NULL；

获取vma的next vma结构next = vma->vm_next，如下图：

                                +-------+|       ||       ||       || next  ||       ||       |+-------++-------+--- end            orig_vma|       |                   +-------+               +-------+|       | len               |  vma  |               |       ||       |--- start -------->|       |               | insert||       |                   |       |               |       ||       |                   |       | <-- end ----> +-------++-------+ mm->start_brk     |       ||       |+-------+ start

这个分支if (next && !insert)我们先不用看。来到again:标签处，vma_adjust_trans_huge函数被调用，入参分别为vma_adjust_trans_huge(orig_vma, start, end, adjust_next=0);，这是和大页内存相关的，本文先略过。紧接着是文件映射if (file)，在后面就是anon_vma，这里给出一个简图：

这是反向映射的基石，本文不讨论。接下来迎接来了代码：

 if (start != vma->vm_start) {vma->vm_start = start;start_changed = true;}if (end != vma->vm_end) {vma->vm_end = end;end_changed = true;}vma->vm_pgoff = pgoff;

这个操作很简单，直接看图就行了：

     +-------+|  vma  ||       | |       ||       | <-- end|       ||       |+-------+ start>>>> 变为+-------+ <-- vma->vm_end|  vma  ||       |+-------+ <-- vma->vm_start

接下来的remove_next不执行。转而执行else if (insert)分支，这个分支很简单，执行__insert_vm_struct函数，该函数原型是：

static void __insert_vm_struct(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma)
{struct vm_area_struct *prev;struct rb_node **rb_link, *rb_parent;if (find_vma_links(mm, vma->vm_start, vma->vm_end,&prev, &rb_link, &rb_parent))BUG();__vma_link(mm, vma, prev, rb_link, rb_parent);mm->map_count++;
}

将vma结构添加至mm结构的红黑树和双向链表。后面执行的validate_mm是打开CONFIG_DEBUG_VM_RB功能的操作，不做讨论。

至此，vma_adjust就返回了，接着__split_vma也返回了。

     err = vma_adjust(vma, vma->vm_start, addr, vma->vm_pgoff, new);/* Success. */if (!err)return 0;

现在回到__do_munmap。在__split_vma成功放回后，执行prev = vma;操作。

 error = __split_vma(mm, vma, start, 0); /* 分离一个 vma 结构 */if (error)return error;prev = vma;

要知道，此时的vma比原来要小了，并且它的下一个vma是自己被切出来的，查找下一个vma结构：

last = find_vma(mm, end);

如果是下面这种情况，需要继续拆分vma结构：

                                +-------+|       | |       | +-------+--- end            |       | <-- end|       |                   | last  ||       | len               |       | |       |                   +-------+ last->vm_start|       |                   |       |                   +-------+ vma->vm_end+-------+ mm->start_brk     | prev  ||       |+-------+ vma->vm_start

这与上面的情况正好相反，上面是需要拆分的部分在vma之上，现在是需要查分的部分在vma之下，所以在调用__split_vma时候的标志位new_below这次等于1。

接入函数后，还是申请vma新的结构，然后进行vm_end赋值，此时的结构为：

    +-------+|       | |       | |       | <-- addr  +-------+ <-- new->vm_end|  vma  |           |       ||       |           |  new  |+-------+           +-------+

然后进行vma_adjust操作，可以不做过多解释了，直接给出一段我对他的代码注释吧。

if (new_below)/* +-------+|       | |       | |       | <-- addr      +-------+ <-- new->vm_end|  vma  |               |       ||       |               |  new  |+-------+               +-------+ <-- new->vm_start*/err = vma_adjust(vma, addr, vma->vm_end, vma->vm_pgoff +((addr - new->vm_start) >> PAGE_SHIFT), new);
else/*+-------+ vma->vm_end   +-------+|       |               |       ||       |               |  new  ||  vma  |               |       ||       | <-- addr **** +-------+ <-- new->vm_start|       ||       |+-------+ vma->vm_start*/err = vma_adjust(vma, vma->vm_start, addr, vma->vm_pgoff, new);

整体上面对vma的拆分工作可以认为是将用户地址空间需要释放的区域单独组建vma结构，从其他的vma中隔离出来。

3.3. detach_vmas_to_be_unmapped

上面拆分完vma后，需要将这些vma从红黑树中擦除，擦除的范围呢？从函数的调用中可以看：

detach_vmas_to_be_unmapped(mm, vma, prev, end)

mm：当前的进程地址空间；
vma：是prev的下一个vma，vma = vma_next(mm, prev);；
prev：不在free空间的最后一个vma；
end：需要free的最大地址；

那就好理解了，从vma开始遍历红黑树，并对其进行重新连接，代码如下：

 insertion_point = (prev ? &prev->vm_next : &mm->mmap);vma->vm_prev = NULL;do {vma_rb_erase(vma, &mm->mm_rb);mm->map_count--;tail_vma = vma;vma = vma->vm_next;} while (vma && vma->vm_start < end);*insertion_point = vma;

这段代码不用解释了吗，很简单。如果说需要释放的空间以上（next）还有有效的vma怎么办呢，更简单：

if (vma) {vma->vm_prev = prev;vma_gap_update(vma);
}

然后将最后一个vma的next置空tail_vma->vm_next = NULL;。接下来的判断是：

 /** Do not downgrade mmap_lock if we are next to VM_GROWSDOWN or* VM_GROWSUP VMA. Such VMAs can change their size under* down_read(mmap_lock) and collide with the VMA we are about to unmap.*/if (vma && (vma->vm_flags & VM_GROWSDOWN))return false;if (prev && (prev->vm_flags & VM_GROWSUP))return false;

上面这两个判断会在后续的文章中讲解，detach_vmas_to_be_unmapped到此结束。

如果detach_vmas_to_be_unmapped执行失败，将执行下面的代码，本文也不做讲解。

 if (downgrade)mmap_write_downgrade(mm);

3.4. unmap_region

接下来迎接的就是unmap_region函数了，在该函数的定义如下：

/** Get rid of page table information in the indicated region.** Called with the mm semaphore held.*/ /*  */
static void unmap_region(struct mm_struct *mm,struct vm_area_struct *vma, struct vm_area_struct *prev,unsigned long start, unsigned long end)
{struct vm_area_struct *next = vma_next(mm, prev);struct mmu_gather tlb;lru_add_drain();tlb_gather_mmu(&tlb, mm, start, end);update_hiwater_rss(mm);unmap_vmas(&tlb, vma, start, end);free_pgtables(&tlb, vma, prev ? prev->vm_end : FIRST_USER_ADDRESS,next ? next->vm_start : USER_PGTABLES_CEILING);tlb_finish_mmu(&tlb, start, end);
}

简言之，这是一些列的free和flush操作，同时也会更新水位，将物理内存归还给操作系统。由于篇幅限制，这些函数功能不一一讲解，可以单独作为一篇或者更多篇幅。

3.5. remove_vma_list

__do_munmap中的最后一个函数。在上面的操作中，已经将vma结构从红黑树中擦除了，下面将遍历vma链表，进行vma结构告诉缓存的释放，先看下函数定义：

/** Ok - we have the memory areas we should free on the vma list,* so release them, and do the vma updates.** Called with the mm semaphore held.*/
static void remove_vma_list(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma)
{unsigned long nr_accounted = 0;/* Update high watermark before we lower total_vm */update_hiwater_vm(mm);do {long nrpages = vma_pages(vma);/*  */if (vma->vm_flags & VM_ACCOUNT)nr_accounted += nrpages;vm_stat_account(mm, vma->vm_flags, -nrpages);vma = remove_vma(vma);  /* 释放内存 */} while (vma);vm_unacct_memory(nr_accounted);validate_mm(mm);    /*  */
}

这将遍历整个需要free的vma链表，通过使用remove_vma对slab object进行释放，并返回下一个vma结构。

3.6. remove_vma

/** Close a vm structure and free it, returning the next.*/
static struct vm_area_struct *remove_vma(struct vm_area_struct *vma)    /*  */
{struct vm_area_struct *next = vma->vm_next;might_sleep();if (vma->vm_ops && vma->vm_ops->close)vma->vm_ops->close(vma);if (vma->vm_file)fput(vma->vm_file);mpol_put(vma_policy(vma));vm_area_free(vma);return next;
}

其中的关键函数是vm_area_free，这个函数很简单，

void vm_area_free(struct vm_area_struct *vma)
{kmem_cache_free(vm_area_cachep, vma);
}

至此，关于__do_munmap结束，他在brk系统调用中返回：

 ret = __do_munmap(mm, newbrk, oldbrk-newbrk, &uf, true);    /* do munmap */if (ret < 0) {mm->brk = origbrk;  /* unmap 失败使用原来的brk 位置 */goto out;} else if (ret == 1) {downgraded = true;}goto success;

4. 申请

上面释放的篇幅过长,申请流程单独介绍。

5. 相关链接

https://www.cs.unc.edu/~porter/courses/cse506/f12/slides/address-spaces.pdf
https://stackoverflow.com/questions/14943990/overlapping-pages-with-mmap-map-fixed

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Linux内存管理 brk(),mmap()系统调用源码分析2：brk()的内存释放流程

1. 基础部分

2. 释放

3. __do_munmap

3.1. __split_vma

3.2. __vma_adjust

3.3. detach_vmas_to_be_unmapped

3.4. unmap_region

3.5. remove_vma_list

3.6. remove_vma

4. 申请

5. 相关链接

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