【操作系统百科】mm_struct 与 VMA

每个进程对内核说”我有哪些地址段”，靠 mm_struct 这个核心数据结构。里面挂着所有 VMA（Virtual Memory Area），每个 VMA 描述一段连续的 VA → 同一保护属性 + 同一 backing。

一、先看图

flowchart TD
    TASK[task_struct] --> MM[mm_struct]
    MM --> MT[maple tree<br/>VMA 索引]
    MT --> V1[VMA: text<br/>0x400000-0x600000<br/>rx, file]
    MT --> V2[VMA: heap<br/>0x600000-0x900000<br/>rw, anon]
    MT --> V3[VMA: stack<br/>0x7ffc...-0x7fff...<br/>rw, anon, growsdown]
    MT --> V4[VMA: mmap<br/>0x7f0000...<br/>rx, file .so]
    MM --> PGD[pgd → 多级页表]
    classDef meta fill:#388bfd22,stroke:#388bfd,color:#adbac7;
    classDef vma fill:#3fb95022,stroke:#3fb950,color:#adbac7;
    class TASK,MM,PGD meta
    class V1,V2,V3,V4 vma

二、mm_struct 核心字段

struct mm_struct {
    struct maple_tree mm_mt;       // VMA 索引（6.1+ 替代老 rbtree）
    pgd_t *pgd;                    // 顶级页表
    atomic_t mm_users;             // 用户态引用计数（>0 才有活进程）
    atomic_t mm_count;             // 内核引用（lazy tlb 也算一份）
    unsigned long task_size;       // 用户空间上界
    unsigned long start_code, end_code;
    unsigned long start_data, end_data;
    unsigned long start_brk, brk;
    unsigned long start_stack;
    unsigned long arg_start, arg_end;
    unsigned long env_start, env_end;
    struct rw_semaphore mmap_lock;
    ...
};

关键：

• mm_users > 0 才有活线程；=0 但 mm_count > 0 可能还有 lazy TLB CPU 引用
• mmap_lock：VMA 操作的大锁；争抢剧烈是多线程 mmap/munmap 热点

三、VMA（vm_area_struct）

struct vm_area_struct {
    unsigned long vm_start, vm_end;
    pgoff_t vm_pgoff;               // 文件偏移
    struct file *vm_file;           // NULL=匿名
    vm_flags_t vm_flags;            // VM_READ|VM_WRITE|VM_EXEC|VM_SHARED...
    const struct vm_operations_struct *vm_ops;
    struct anon_vma *anon_vma;
    ...
};

VMA 是”按段管理”思路——连续地址 + 相同属性 = 一个 VMA。mprotect 只改 vm_flags（可能拆 VMA）。

观察：

cat /proc/$$/maps
# 地址范围  权限  offset  dev  inode  pathname

四、从红黑树到 maple tree

4.1 老方案：红黑树 + 链表

5.x 及以前：VMA 同时挂红黑树（按地址索引）和链表（遍历）。

问题：

• 两套结构、双倍指针
• 每次 mmap/munmap 要同时维护两套
• RCU 读很难做

4.2 maple tree（6.1 合入）

Liam Howlett 的改造：用 B-tree 变种（maple tree）替代红黑树 + 链表。

好处：

• 单一数据结构
• RCU 读友好（mmap_read_lock 可以用 per-VMA lock 替代 mmap_lock）
• 内存局部性好（B-tree 扇出高、层级浅）
• VMA 数量从几百到几万都高效

4.3 per-VMA lock（6.4+）

mmap_lock 改成读端走 per-VMA lock，减少全局争抢。mm->per_vma_lock_seq 做无锁版本号检测。

效果：多线程 mmap 扩展性提升显著。

五、anon_vma 与 rmap

5.1 问题

内核要回收物理页，需要知道哪些 PTE 引用了它。对匿名页来说——fork 后父子共享同一物理页，谁的 PTE？

5.2 anon_vma

anon_vma
  └── anon_vma_chain → VMA1 (parent)
  └── anon_vma_chain → VMA2 (child)

每个匿名 VMA 有 anon_vma + anon_vma_chain（链接所有共享同 anon 页的 VMA）。page_referenced() / try_to_unmap() 通过 rmap 遍历所有映射者。

5.3 file rmap

文件页通过 address_space->i_mmap（interval tree）做 rmap。

六、mmap_lock 争抢与诊断

# 看 mmap_lock 争抢
perf lock contention -t -b -s 5
# 或
bpftrace -e 'tracepoint:lock:contention_begin /args->lock_addr == kaddr("mmap_lock")/ { @[comm]=count(); }'

典型触发者：

• 大量短连接的 Go/Java 服务（goroutine 或 thread 频繁 mmap）
• JIT 编译器频繁创建 executable mmap
• malloc 竞争（glibc arena 可缓解）

七、VMA 合并与拆分

内核尽量合并相邻同属性 VMA（减少 VMA 数量）。mprotect/mremap 可能拆分一个 VMA。

过多 VMA（> 65530 ≈ vm.max_map_count）会导致 mmap 失败：

# Elasticsearch 启动常踩
sysctl vm.max_map_count=262144

八、特殊 VMA

• [vdso]：内核虚拟 DSO，提供 gettimeofday 等快速 syscall
• [vsyscall]：x86 遗留，已废弃
• [heap]：brk 区域
• [stack]：主线程栈
• guard page：PROT_NONE VMA 做栈溢出保护

九、mm_struct 生命周期

fork → dup_mm → 复制 mm_struct + 所有 VMA（COW 页表）
exec → exec_mmap → 丢弃旧 mm，创建新 mm
exit → mmput → mm_users-- → =0 时 exit_mmap → 释放所有 VMA + 页表

mmget / mmput 是引用计数接口；mmgrab / mmdrop 管 mm_count（lazy TLB 用）。

十、观察工具

# VMA 数量
wc -l /proc/$$/maps

# 详细 VMA 信息
cat /proc/$$/smaps_rollup

# mm_struct 内核信息
cat /proc/$$/status | grep -E 'Vm|Rss|Swap'

# maple tree 统计（debugfs）
cat /sys/kernel/debug/maple_tree_allocations 2>/dev/null

十一、小结

• mm_struct 是进程地址空间在内核的总表；VMA 是每段描述
• maple tree 替代红黑树 + 链表是 6.1 最大 mm 改造
• per-VMA lock 把 mmap_lock 从全局锁变读端分散
• anon_vma / rmap 让回收能反向找到所有映射者
• VMA 数量 > max_map_count 是常见生产问题

参考文献

• Gorman, M. “Understanding the Linux Virtual Memory Manager.” §4
• Documentation/mm/maple_tree.rst
• Liam Howlett, “Maple tree introduction.” LPC 2022
• Suren Baghdasaryan, “per-VMA locks.” LWN.net 2023
• include/linux/mm_types.h、mm/mmap.c

工具

• /proc/$$/maps、/proc/$$/smaps
• pmap -x
• perf lock contention
• bpftrace + mmap_lock tracing

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