Linux内核 mm_struct

mm_struct 是 Linux 内核描述进程地址空间 的核心数据结构，它管理着进程的虚拟内存映射、页表、内存访问权限、地址空间布局等关键信息。每个用户态进程（或内核线程共享的地址空间）都会关联一个 mm_struct，内核通过它实现对进程内存的分配、回收、保护等操作。

• 进程地址空间的唯一标识 ：每个独立的用户态进程都有自己的 mm_struct，内核线程则默认共享内核的 init_mm（无独立地址空间）。
• 页表的顶层管理入口 ：mm_struct 指向进程的顶级页表（如 pgd 指针），是用户虚拟地址到物理地址映射的总入口。
• 内存区域的组织容器 ：通过内部的 vm_area_struct 链表，管理进程的所有虚拟内存区域（如代码段、数据段、堆、栈、内存映射文件等）。
• 内存资源的统计与限制 ：记录进程的内存使用量、页表项数量、锁定内存大小等，配合 rlimit 实现内存资源限制。

核心字段分类说明

字段类型	核心字段	作用
虚拟内存区域管理	/* 虚拟内存区域(VMA)的链表头 */ struct vm_area_struct *mmap; /* VMA 的红黑树根节点（加速查找） */ struct rb_root mm_rb; /* VMA 缓存序列号，优化查找 */ u32 vmacache_seqnum;	mmap 是 VMA 链表头，mm_rb 是红黑树根（加速 VMA 查找），map_count 记录 VMA 数量
页表管理	/* 指向进程的页全局目录(PGD)，页表的顶层入口 */ pgd_t *pgd; /* 保护页表的自旋锁 */ spinlock_t page_table_lock;	pgd 指向顶级页表，page_table_lock 保护页表的并发修改
地址空间边界	/* 进程地址空间的最大大小（如 32 位进程为 3GB） */ unsigned long task_size; /* 进程内存映射区域的起始地址（默认 TASK_UNMAPPED_BASE） */ unsigned long mmap_base; /* 代码段、数据段的起止地址 */ unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data; /* 堆、栈的起止地址 */ unsigned long start_brk, brk, start_stack; /* 命令行参数、环境变量的地址范围 */ unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end;	定义进程地址空间的最大范围、映射基址、代码 / 数据 / 堆 / 栈的边界
内存统计	/* 进程总虚拟内存页数（单位：PAGE_SIZE） */ unsigned long total_vm; /* 被 mlock() 锁定的内存页数 */ unsigned long locked_vm; /* 进程的 RSS（驻留集大小）历史峰值 */ unsigned long hiwater_rss; /* 进程的虚拟内存大小历史峰值 */ unsigned long hiwater_vm;	统计进程的虚拟内存、锁定内存、RSS 峰值等资源使用情况
共享与引用计数	/* 使用该地址空间的进程数（共享计数，如线程共享） */ atomic_t mm_users; /* 地址空间的引用计数（销毁时减到 0 才释放） */ atomic_t mm_count;	mm_users 是共享该地址空间的进程数（如线程），mm_count 是内核内部引用计数
架构相关	/* 架构相关的上下文信息（如 ARM64 的 ASID） */ mm_context_t context;	存储架构特定信息（如 ARM64 的地址空间标识符 ASID，x86 的 CR3 寄存器值）

核心关联数据结构

vm_area_struct（虚拟内存区域）

mm_struct 采用 双数据结构 管理 VMA，兼顾遍历效率和查找效率：

• 链表（mmap 字段） ：所有 VMA 以 vm_area_struct 的 vm_next 指针串联成单向链表，适合全量遍历（如进程退出时释放所有 VMA）。
• 红黑树（mm_rb 字段） ：所有 VMA 按虚拟地址范围挂载到红黑树中，适合精准查找（如缺页异常时，快速定位虚拟地址所属的 VMA）。

每个 VMA 对应进程地址空间中的一段连续虚拟地址区间，且具有相同的访问权限（如可读、可写、可执行）。

• 例如：进程的代码段对应一个 VMA（PROT_READ|PROT_EXEC），堆对应一个 VMA（PROT_READ|PROT_WRITE）。
• 内核通过 find_vma() 函数，根据虚拟地址快速查找对应的 VMA（红黑树查找时间复杂度 O (log n)）。
  • 先尝试从 VMA 缓存 （vmacache）中查找，缓存命中则直接返回（O (1) 开销）；
  • 缓存未命中时，遍历红黑树查找对应 VMA（O (log n) 开销）；
  • 更新 VMA 缓存，提升下一次查找效率。

pgd_t（页全局目录）

pgd 是 mm_struct 指向的顶级页表项，是虚拟地址翻译的入口：

• 对于 64 位系统（如 ARM64），页表通常分为 4 级（PGD → PUD → PMD → PTE）；
• 当进程切换时，内核会将 task_struct->mm->pgd 加载到 CPU 的页表基址寄存器（如 ARM64 的 TTBR0_EL1），完成地址空间切换。

task_struct（进程控制块）

每个进程的 task_struct 中包含一个 mm 指针，指向该进程的 mm_struct：

struct task_struct {

// ... 其他字段

struct mm_struct *mm; /* 进程的地址空间 */

struct mm_struct *active_mm; /* 运行时的地址空间（内核线程借用） */

// ... 其他字段

};

mm 和 active_mm 是两个与进程地址空间相关的核心指针，它们的设计目标是区分进程的「自有地址空间」和「运行时使用的地址空间」，尤其为内核线程的地址空间管理提供了高效的解决方案。

• 用户态进程：mm 和 active_mm 指向同一个 mm_struct；
• 内核线程：无独立地址空间，mm=NULL，active_mm 借用前一个运行进程的 mm_struct。

mm 指针

• 作用 ：指向进程私有的地址空间结构体，是用户态进程的「自有地址空间」标识。
• 适用对象 ：
  • 用户态进程 ：拥有独立的虚拟地址空间，mm 指向其专属的 mm_struct，包含页表、VMA、内存统计等信息。
  • 内核线程 ：没有独立的用户态地址空间，mm = NULL。

active_mm 指针

• 作用 ：指向进程运行时实际使用的地址空间结构体 ，是 CPU 页表基址寄存器（如 ARM64 的 TTBR0_EL1）对应的 mm_struct。
• 适用对象 ：
  • 用户态进程 ：运行时使用的就是自有地址空间，因此 active_mm = mm。
  • 内核线程 ：无自有地址空间，需要借用前一个运行在该 CPU 上的用户态进程的 mm_struct ，此时 active_mm 指向被借用的 mm_struct。

内核线程的地址空间管理

内核线程本身没有独立的用户态地址空间 （task_struct->mm = NULL），它通过 active_mm 指针借用前一个运行在该 CPU 上的用户态进程的 mm_struct ，从而复用其页表完成内核地址空间的访问，同时避免为内核线程创建独立 mm_struct 的内存开销。

Linux 内核的地址空间是全局共享的，具体体现在：

1. 所有进程的页表（包括用户态进程的 mm_struct->pgd）都包含内核地址空间的映射 （如 ARM64 的 TTBR1_EL1 对应内核页表，x86_64 的高 1GB 地址）。
2. 内核线程仅运行在内核态，只需要访问内核地址空间，不需要访问用户态地址空间。

因此，内核线程可以直接复用任意用户态进程的 mm_struct 中的内核页表映射，无需创建自己的 mm_struct。

因此内核设计了 active_mm 机制：

1. 内核线程本身不拥有 mm_struct（mm = NULL）。
2. 当内核线程在某 CPU 上运行时，复用该 CPU 上前一个用户态进程的 mm_struct 作为 active_mm。
3. 内核线程运行时，CPU 的页表基址寄存器仍指向被借用的 mm_struct->pgd，但由于内核线程只访问内核地址空间，不会触碰到用户态页表的映射，因此不会产生地址越界。
4. 当内核线程执行完毕，切换回用户态进程时，active_mm 会自动切回该进程的 mm，无需额外操作。
5. 每个 CPU 上的内核线程会借用该 CPU 上最近运行的用户态进程的 mm_struct ，不同 CPU 上的内核线程的 active_mm 可以指向不同的 mm_struct，互不干扰。

通过 active_mm 访问内核地址空间

内核线程运行期间，active_mm 指向被借用的 mm_struct，核心特性如下：

1. 页表复用 ：CPU 的页表基址寄存器仍指向 active_mm->pgd，内核线程通过该页表访问内核地址空间（无需关心用户态页表映射）。
2. 用户态地址访问限制 ：内核线程运行在内核态，CPU 的特权级（如 ARM64 的 EL1、x86 的 Ring 0）会阻止其访问用户态地址，因此不会触发地址越界错误。
3. 无需修改 VMA / 页表 ：内核线程不会操作 active_mm 中的 VMA 链表或用户态页表项，仅利用其内核页表映射。

归还 active_mm

• 归还引用 ：内核线程的 active_mm 被置为 NULL，同时递减被借用 mm_struct 的 mm_count。
• 页表切换 ：CPU 的页表基址寄存器更新为目标用户态进程的 mm->pgd，恢复其完整的地址空间映射。

主动借用指定进程的 mm_struct

除了进程切换时的自动借用，内核线程还可以通过 use_mm()/unuse_mm() 函数主动借用指定用户态进程的 mm_struct ，适用于需要访问该进程用户态地址空间的场景（如内核态数据拷贝 copy_to_user()/copy_from_user()）。

内核通过 use_mm() 和 unuse_mm() 两个函数完成 active_mm 的借用与归还，核心流程如下：

• 内核线程通过 use_mm() 显式借用某个用户态进程的 mm_struct。
• 借用时会递增 mm->mm_count（内核态引用计数），防止该 mm_struct 被提前销毁。
• 内核线程退出时，通过 unuse_mm() 归还借用的 mm_struct。
• 递减 mm_count，若计数归 0，则可以释放 mm_struct。

核心操作 API

mm_struct 的创建与销毁

函数	作用
alloc_mm()	分配 mm_struct 内存（从 slab 分配器中分配）
mm_init()	初始化 mm_struct 的字段，设置默认值
copy_mm()	进程 fork 时，复制父进程的 mm_struct 和页表（写时复制）
exit_mm()	进程退出时，销毁 mm_struct 并释放关联的页表和 VMA

虚拟内存区域操作

函数	作用
do_mmap()	核心函数，创建新的 VMA 并映射到虚拟地址空间（用户态 mmap() 系统调用的底层实现）
do_munmap()	释放指定的虚拟地址区间，删除对应的 VMA（用户态 munmap() 系统调用的底层实现）
find_vma()	根据虚拟地址查找对应的 VMA
find_vma_intersection()	查找与指定地址区间重叠的 VMA

地址空间切换

函数	作用
switch_mm()	进程切换时，切换 mm_struct，加载新进程的页表基址到 CPU 寄存器
activate_mm()	激活 mm_struct，用于内核线程切换到用户态进程时的地址空间加载

进程切换时的页表切换流程：

1. 内核从 task_struct 中取出新进程的 mm_struct；
2. 调用 switch_mm() 函数，将 mm_struct->pgd 加载到 CPU 的页表基址寄存器；
3. 刷新 TLB（Translation Lookaside Buffer），避免旧页表缓存的干扰；
4. 新进程的虚拟地址空间生效。

引用计数与地址空间共享

mm_struct 包含两个核心引用计数，用于管理地址空间的生命周期和共享：

• mm_users ：用户态引用计数 ，表示共享该地址空间的进程数量（如线程组内的所有线程共享同一个 mm_struct，mm_users 等于线程数）。
  • fork() 时，子进程与父进程共享 mm_struct，mm_users++；
  • 线程退出时，mm_users--，当 mm_users 减至 0 时，触发页表和 VMA 的释放。
• mm_count ：内核态引用计数 ，表示内核对该 mm_struct 的引用次数（如内核线程借用地址空间时，mm_count++）。只有当 mm_count 减至 0 时，才会调用 free_mm() 释放 mm_struct 本身的内存。

写时复制（Copy-On-Write, COW）

进程 fork() 时，内核不会直接复制父进程的物理页，其实现完全依赖 mm_struct 和页表的配合：

1. fork() 时，内核复制父进程的 mm_struct（浅拷贝），共享页表和 VMA，mm_users++；
2. 将父、子进程的所有页表项标记为 只读 ，并将 mm_struct 中的 VMA 权限也标记为只读；
3. 当任一进程尝试写入 某页面时，触发缺页异常 （page_fault）；
4. 内核在缺页异常处理函数中，为该进程分配新的物理页，复制原页面数据，更新页表项为可写，解除 COW 限制。

内核版本差异

差异点	Linux 4.4	Linux 5.4
页表缓存	pgt_cache 字段直接在 mm_struct 中	页表缓存逻辑迁移到 mm_context_t，更贴合架构设计
NUMA 相关字段	numa_scan_seq、numa_masks 直接定义	新增 numa_state 结构体，统一管理 NUMA 扫描状态
内存控制组	mem_cgroup 字段为可选（CONFIG_MEMCG）	默认启用 mem_cgroup，新增 memcg_batch 优化批量统计
VMA 查找优化	vmacache_seqnum 基础实现	新增 vmacache_fault() 函数，进一步优化缺页异常时的 VMA 查找

ARM64 架构适配

ARM64 架构的 mm_struct 中，context 字段（mm_context_t）包含关键的地址空间标识符 ASID：

• ASID 用于区分不同进程的页表，避免进程切换时刷新整个 TLB；
• 内核通过 ASID 实现 TLB 条目共享，提升地址翻译性能。

mm_struct 的创建

以 execve() 系统调用为例，新进程 mm_struct 的创建流程：

1. 调用 alloc_mm() 从 slab 分配器中分配 mm_struct 内存；
2. 调用 mm_init() 初始化 mm_struct 的默认字段（如 mmap_base、task_size、信号量等）；
3. 解析可执行文件的段表（如 ELF 的 .text、.data 段），调用 do_mmap() 创建对应的 VMA；
4. 初始化页表（pgd），建立代码段、数据段的虚拟地址到物理地址的映射；
5. 设置栈的 VMA（start_stack），将命令行参数和环境变量拷贝到栈中；
6. 将 mm_struct 挂载到 task_struct 的 mm 指针上。

mm_struct 的销毁

进程调用 exit() 时，mm_struct 的销毁流程：

1. 执行 exit_mm() 函数，获取 task_struct->mm 指针；
2. 调用 mmput() 递减 mm_users 计数；
3. 若 mm_users 减至 0，触发 mm_release()：
   • 遍历 mmap 链表，调用 do_munmap() 释放所有 VMA；
   • 调用 free_pgtables() 释放所有页表（PGD/PUD/PMD/PTE）；
   • 递减 mm_count 计数，若 mm_count 减至 0，调用 free_mm() 释放 mm_struct 内存；
4. 将 task_struct->mm 置为 NULL，完成地址空间的销毁。

虚拟内存映射

用户态调用 mmap() 时，内核的底层实现流程：

1. 系统调用陷入内核，执行 sys_mmap()，最终调用 do_mmap()；
2. 根据传入的参数（映射地址、长度、权限），在 mm_struct 的地址空间中分配一段空闲虚拟地址；
3. 创建新的 vm_area_struct，设置其权限、映射类型（文件映射 / 匿名映射）等属性；
4. 将新 VMA 挂载到 mm_struct 的 mmap 链表和 mm_rb 红黑树中；
5. 若为文件映射 ，建立 VMA 与文件 struct address_space 的关联；若为匿名映射，暂不分配物理页（延迟到缺页异常时分配）。