rb_subtree_gap

kernel为了提高对VMA 查找、插入速度，采用了很多技术，例如VMA采用RB tree和双向链表两种组织形式，另外对VMA结构对cache line对齐从而提高cache命中率等。由于内存在实际使用过程中，不断的申请释放，使得原来成片的连续内存空间变成了一段段不连续空间，每个VMA都存在一定空闲空间即gap：

在查找GAP时，一般为了知道GAP大小，需要知道前一个VMA prev的end地址和当前VMA的start地址即GAP=vma->start-prev->end.此时需要知道两个VMA。linux内核中为了加速查找适合的GAP，对此进行了优化 vma结构中增加了 rb_subtree_gap 字段，用于记录当前vma 的前面有多少空闲空间：

struct vm_area_struct {.... .../** Largest free memory gap in bytes to the left of this VMA.* Either between this VMA and vma->vm_prev, or between one of the* VMAs below us in the VMA rbtree and its ->vm_prev. This helps* get_unmapped_area find a free area of the right size.*/unsigned long rb_subtree_gap;... ...
} __randomize_layout;

rb_subtree_gap:用于记录该VMA左侧有多少空间，即vma->prev 和 vma之前的空闲空间，以便能够快速查找当前vma前面空闲空间是否符合要求。

vma subtree Gap 计算

vma GAP计算相对比较简单，函数为vma_compute_subtree_gap()：

static inline unsigned long vma_compute_gap(struct vm_area_struct *vma)
{unsigned long gap, prev_end;/** Note: in the rare case of a VM_GROWSDOWN above a VM_GROWSUP, we* allow two stack_guard_gaps between them here, and when choosing* an unmapped area; whereas when expanding we only require one.* That's a little inconsistent, but keeps the code here simpler.*/gap = vm_start_gap(vma);if (vma->vm_prev) {prev_end = vm_end_gap(vma->vm_prev);if (gap > prev_end)gap -= prev_end;elsegap = 0;}return gap;
}

计算相对比较简单：

vm_start_gap：获取当前vma 的起始地址；
如果vma->vm_prev 为空，则意味着前面空间都是空闲空间
如果vma->vm_prev为非空，获取vma指向的前一个vma即vma->vm_prev的结束地址
如果prev_end 大于等于 vma的起始地址(严格来说不可能大于只能等于），则说明没有空闲空间返回为0
如果prev 小于gap，则说明有空闲时间。

vm_start_gap

vm_start_gap()为获取vma的起始地址进行了封装：

static inline unsigned long vm_start_gap(struct vm_area_struct *vma)
{unsigned long vm_start = vma->vm_start;if (vma->vm_flags & VM_GROWSDOWN) {vm_start -= stack_guard_gap;if (vm_start > vma->vm_start)vm_start = 0;}return vm_start;
}

如果当前vma 设置了VM_GROWSDOWN，则说明该vma设置了保护页，需要将在vma的起始地址vma_start 减去stack_guard_gap即将保护页空间给预留出来

vm_end_gap

vm_end_gap即获取当前vma的 end结束地址：

static inline unsigned long vm_end_gap(struct vm_area_struct *vma)
{unsigned long vm_end = vma->vm_end;if (vma->vm_flags & VM_GROWSUP) {vm_end += stack_guard_gap;if (vm_end < vma->vm_end)vm_end = -PAGE_SIZE;}return vm_end;
}

如果vma 设置VM_GROWSUP，则说明vma需要在其右边即后面设置预留保护页，所以vm_end 要加上stack_guard_gap.

vma gap update

vma gap 一般在创建一个新的vma时，将新的vma插入到rb tree和链表后，需要更新当前vma插入节点时next vma的gap:

void __vma_link_rb(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma,struct rb_node **rb_link, struct rb_node *rb_parent)
{/* Update tracking information for the gap following the new vma. */if (vma->vm_next)vma_gap_update(vma->vm_next);elsemm->highest_vm_end = vm_end_gap(vma);/** vma->vm_prev wasn't known when we followed the rbtree to find the* correct insertion point for that vma. As a result, we could not* update the vma vm_rb parents rb_subtree_gap values on the way down.* So, we first insert the vma with a zero rb_subtree_gap value* (to be consistent with what we did on the way down), and then* immediately update the gap to the correct value. Finally we* rebalance the rbtree after all augmented values have been set.*/rb_link_node(&vma->vm_rb, rb_parent, rb_link);vma->rb_subtree_gap = 0;vma_gap_update(vma);vma_rb_insert(vma, &mm->mm_rb);
}

调用 vma_gap_update()函数进行更新：

vma_gap_update

vma_gap_update是更新当前vma gap大小：

/** Update augmented rbtree rb_subtree_gap values after vma->vm_start or* vma->vm_prev->vm_end values changed, without modifying the vma's position* in the rbtree.*/
static void vma_gap_update(struct vm_area_struct *vma)
{/** As it turns out, RB_DECLARE_CALLBACKS_MAX() already created* a callback function that does exactly what we want.*/vma_gap_callbacks_propagate(&vma->vm_rb, NULL);
}

vma_gap_callbacks_propagate()调用的回调使用的是RB_DECLARE_CALLBACKS_MAX 定义：

RB_DECLARE_CALLBACKS_MAX

该宏为一个回调函数定义的宏：

#define RB_DECLARE_CALLBACKS_MAX(RBSTATIC, RBNAME, RBSTRUCT, RBFIELD,          \RBTYPE, RBAUGMENTED, RBCOMPUTE)        \
static inline bool RBNAME ## _compute_max(RBSTRUCT *node, bool exit)          \
{                                         \RBSTRUCT *child;                           \RBTYPE max = RBCOMPUTE(node);                         \if (node->RBFIELD.rb_left) {                        \child = rb_entry(node->RBFIELD.rb_left, RBSTRUCT, RBFIELD);   \if (child->RBAUGMENTED > max)                     \max = child->RBAUGMENTED;                  \}                                      \if (node->RBFIELD.rb_right) {                       \child = rb_entry(node->RBFIELD.rb_right, RBSTRUCT, RBFIELD);  \if (child->RBAUGMENTED > max)                     \max = child->RBAUGMENTED;                  \}                                      \if (exit && node->RBAUGMENTED == max)                     \return true;                           \node->RBAUGMENTED = max;                       \return false;                                  \
}                                         \
RB_DECLARE_CALLBACKS(RBSTATIC, RBNAME,                        \RBSTRUCT, RBFIELD, RBAUGMENTED, RBNAME ## _compute_max)

该宏定义为 RBNAME ## _compute_max 函数名，而vma gap回调定义为：

RB_DECLARE_CALLBACKS_MAX(static, vma_gap_callbacks,struct vm_area_struct, vm_rb,unsigned long, rb_subtree_gap, vma_compute_gap)

通过展开可知定义一个vma_gap_callbacks_compute_max函数，而RB_DECLARE_CALLBACKS_MAX中使用RB_DECLARE_CALLBACK进一步定义回调函数：

#define RB_DECLARE_CALLBACKS(RBSTATIC, RBNAME,               \RBSTRUCT, RBFIELD, RBAUGMENTED, RBCOMPUTE) \
static inline void                          \
RBNAME ## _propagate(struct rb_node *rb, struct rb_node *stop)      \
{                                   \while (rb != stop) {                      \RBSTRUCT *node = rb_entry(rb, RBSTRUCT, RBFIELD); \if (RBCOMPUTE(node, true))             \break;                     \rb = rb_parent(&node->RBFIELD);                \}                              \
}

通过RBNAME##_propagate宏定义可知进一步展开为vma_gap_callbacks_propagate函数，该函数定义展开找到。

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