1開場白

環(huán)境：

• 處理器架構(gòu)：arm64

• 內(nèi)核源碼：linux-5.10.50

• ubuntu版本：20.04.1

• 代碼閱讀工具：vim+ctags+cscope

本文講解Linux內(nèi)核虛擬內(nèi)存管理中的mmu_gather操作，看看它是如何保證刷tlb和釋放物理頁的順序的，又是如何將更多的頁面聚集起來統(tǒng)一釋放的。

通常在進(jìn)程退出或者執(zhí)行munmap的時(shí)候，內(nèi)核會解除相關(guān)虛擬內(nèi)存區(qū)域的頁表映射，刷/無效tlb，并釋放/回收相關(guān)的物理頁面，這一過程的正確順序如下：

1）解除頁表映射

2）刷相關(guān)tlb

3）釋放物理頁面

在刷相關(guān)虛擬內(nèi)存區(qū)域tlb之前，絕對不能先釋放物理頁面，否則可能導(dǎo)致不正確的結(jié)果，而mmu-gather（mmu 積聚）的作用就是保證這種順序，并將需要釋放的相關(guān)的物理頁面聚集起來統(tǒng)一釋放。

2.源代碼解讀

2.1 重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體

首先我們先介紹一下，與mmu-gather相關(guān)的一些重要結(jié)構(gòu)體，對于理解源碼很有幫助。

相關(guān)的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有三個(gè)：

struct mmu_gather

struct mmu_table_batch

struct mmu_gather_batch

1）mmu_gather

來表示一次mmu積聚操作，在每次解除相關(guān)虛擬內(nèi)存區(qū)域時(shí)使用。

structmmu_gather{
structmm_struct*mm;

#ifdefCONFIG_MMU_GATHER_TABLE_FREE
structmmu_table_batch*batch;
#endif

unsignedlongstart;
unsignedlongend;
/*
|*weareinthemiddleofanoperationtoclear
|*afullmmandcanmakesomeoptimizations
|*/
unsignedintfullmm:1;

/*
|*wehaveperformedanoperationwhich
|*requiresacompleteflushofthetlb
|*/
unsignedintneed_flush_all:1;

/*
|*wehaveremovedpagedirectories
|*/
unsignedintfreed_tables:1;

/*
|*atwhichlevelshaveweclearedentries?
|*/
unsignedintcleared_ptes:1;
unsignedintcleared_pmds:1;
unsignedintcleared_puds:1;
unsignedintcleared_p4ds:1;

/*
|*tracksVM_EXEC|VM_HUGETLBintlb_start_vma
|*/
unsignedintvma_exec:1;
unsignedintvma_huge:1;

unsignedintbatch_count;
#ifndefCONFIG_MMU_GATHER_NO_GATHER
structmmu_gather_batch*active;
structmmu_gather_batchlocal;
 struct page *__pages[MMU_GATHER_BUNDLE]；
...
#endif

};

其中，mm 表示操作哪個(gè)進(jìn)程的虛擬內(nèi)存；batch 用于積聚進(jìn)程各級頁目錄的物理頁；start和end 表示操作的起始和結(jié)束虛擬地址，這兩個(gè)地址在處理過程中會被相應(yīng)的賦值；fullmm 表示是否操作整個(gè)用戶地址空間；freed_tables 表示我們已經(jīng)釋放了相關(guān)的頁目錄；cleared_ptes/pmds/puds/p4ds 表示我們在哪個(gè)級別上清除了表項(xiàng)；vma_exec 表示操作的是否為可執(zhí)行的vma；vma_huge 表示操作的是否為hugetlb的vma；batch_count 表示積聚了多少個(gè)“批次”，后面會講到 ；active、local和__pages 和多批次釋放物理頁面相關(guān)；active表示當(dāng)前處理的批次，local表示“本地”批次，__pages表示“本地”批次積聚的物理頁面。

這里需要說明一點(diǎn)就是，mmu積聚操作會涉及到local批次和多批次操作，local批次操作的物理頁面相關(guān)的struct page數(shù)組內(nèi)嵌到mmu_gather結(jié)構(gòu)的__pages中，且我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)數(shù)組大小為8，也就是local批次最大積聚8 * 4k = 32k的內(nèi)存大小，這因?yàn)閙mu_gather結(jié)構(gòu)通常在內(nèi)核棧中分配，不能占用太多的內(nèi)核?？臻g，而多批次由于動態(tài)分配批次積聚結(jié)構(gòu)所以每個(gè)批次能積聚更多的頁面。

2）mmu_table_batch

用于積聚進(jìn)程使用的各級頁目錄的物理頁，在釋放進(jìn)程相關(guān)的頁目錄的物理頁時(shí)使用（文章中稱為頁表批次的積聚結(jié)構(gòu)）。

structmmu_table_batch{
#ifdefCONFIG_MMU_GATHER_RCU_TABLE_FREE
structrcu_headrcu;
#endif
unsignedintnr;
void*tables[0];
};

rcu 用于rcu延遲釋放頁目錄的物理頁；

nr 表示頁目錄的物理頁的積聚結(jié)構(gòu)的page數(shù)組中頁面?zhèn)€數(shù)；

tables 表示頁表積聚結(jié)構(gòu)的page數(shù)組。

3）mmu_gather_batch

表示物理頁的積聚批次，用于積聚進(jìn)程映射到用戶空間物理頁（文章中稱為批次的積聚結(jié)構(gòu)）。

structmmu_gather_batch{
structmmu_gather_batch*next;
unsignedintnr;
unsignedintmax;
structpage*pages[0];
};

next 用于多批次積聚物理頁時(shí)，連接下一個(gè)積聚批次結(jié)構(gòu) ；

nr 表示本次批次的積聚數(shù)組的頁面?zhèn)€數(shù)；

max 表示本次批次的積聚數(shù)組最大的頁面?zhèn)€數(shù)；

pages 表示本次批次積聚結(jié)構(gòu)的page數(shù)組。

2.2 總體調(diào)用

通常mmu-gather操作由一下幾部分函數(shù)組成：

tlb_gather_mmu

unmap_vmas

free_pgtables

tlb_finish_mmu

其中tlb_gather_mmu表示mmu-gather初始化，也就是struct mmu_gather的初始化；

unmap_vmas 表示解除相關(guān)虛擬內(nèi)存區(qū)域的頁表映射；

free_pgtables 表示釋放頁表操作 ；

tlb_finish_mmu 表示進(jìn)行刷tlb和釋放物理頁操作。

2.3 tlb_gather_mmu

這個(gè)函數(shù)主要是初始化從進(jìn)程內(nèi)核棧中傳遞過來的mmu_gather結(jié)構(gòu)。

voidtlb_gather_mmu(structmmu_gather*tlb,structmm_struct*mm,
unsignedlongstart,unsignedlongend)
{
tlb->mm=mm;//賦值進(jìn)程的內(nèi)存描述符

/*Isitfrom0to~0?*/
tlb->fullmm=!(start|(end+1));//如果是操作進(jìn)程整個(gè)地址空間，則start=0，end=-1，這個(gè)時(shí)候fullmm會被賦值1

#ifndefCONFIG_MMU_GATHER_NO_GATHER
tlb->need_flush_all=0;//初始化“本地”積聚相關(guān)成員
tlb->local.next=NULL;
tlb->local.nr=0;
tlb->local.max=ARRAY_SIZE(tlb->__pages);
tlb->active=&tlb->local;//active指向本地的積聚結(jié)構(gòu)
tlb->batch_count=0;
#endif

tlb_table_init(tlb);//tlb->batch=NULL,來表示先不使用多批次積聚
#ifdefCONFIG_MMU_GATHER_PAGE_SIZE
tlb->page_size=0;
#endif

__tlb_reset_range(tlb);//tlb->start/end和lb->freed_tables、tlb->cleared_xxx初始化
inc_tlb_flush_pending(tlb->mm);
}

下面給出tlb_gather_mmu時(shí)的圖解：

2.4 unmap_vmas

這個(gè)函數(shù)用于解除相關(guān)進(jìn)程虛擬內(nèi)存區(qū)域的頁表映射，還會將相關(guān)的物理頁面放入積聚結(jié)構(gòu)中，后面統(tǒng)一釋放。

下面我們來看下這個(gè)函數(shù)：

voidunmap_vmas(structmmu_gather*tlb,
structvm_area_struct*vma,unsignedlongstart_addr,
unsignedlongend_addr)
{
...
for(;vma&&vma->vm_startvm_next)
unmap_single_vma(tlb,vma,start_addr,end_addr,NULL);
...
}

函數(shù)傳遞進(jìn)已經(jīng)初始化好的mmu積聚結(jié)構(gòu)、操作的起始vma、以及虛擬內(nèi)存范圍[start_addr, end_addr], 然后調(diào)用unmap_single_vma來操作這個(gè)范圍內(nèi)的每一個(gè)vma。

unmap_single_vma的實(shí)現(xiàn)相關(guān)代碼比較多，在此不在贅述，我們會分析關(guān)鍵代碼，它主要做的工作為：通過遍歷進(jìn)程的多級頁表，來找到vma中每一個(gè)虛擬頁對應(yīng)的物理頁（存在的話），然后解除虛擬頁到物理頁的映射關(guān)系，最后將物理頁放入積聚結(jié)構(gòu)中。

總體調(diào)用如下：

//mm/memory.c
unmap_vmas
->unmap_single_vma//處理單個(gè)vma
->unmap_page_range
->zap_p4d_range//遍歷pge頁目錄中每一個(gè)p4d表項(xiàng)
->zap_pud_range//遍歷p4d頁目錄中每一個(gè)pud表項(xiàng)
->zap_pmd_range//遍歷pud頁目錄中每一個(gè)pmd表項(xiàng)
->zap_pte_range//遍歷pmd頁目錄中每一個(gè)pmd表項(xiàng)

下面我們省略中間各級頁表的遍歷過程，重點(diǎn)看下最后一級頁表的處理（這段代碼相當(dāng)關(guān)鍵）：

zap_pte_range
->

staticunsignedlongzap_pte_range(structmmu_gather*tlb,
structvm_area_struct*vma,pmd_t*pmd,
unsignedlongaddr,unsignedlongend,
structzap_details*details)
{
...
again:
init_rss_vec(rss);
start_pte=pte_offset_map_lock(mm,pmd,addr,&ptl);//根據(jù)addr從pmd指向的頁表中獲得頁表項(xiàng)指針，并申請頁表的自旋鎖
pte=start_pte;
flush_tlb_batched_pending(mm);
arch_enter_lazy_mmu_mode();
do{
pte_tptent=*pte;//獲得頁表項(xiàng)
if(pte_none(ptent))//頁表項(xiàng)的內(nèi)容為空表示沒有映射過，繼續(xù)下一個(gè)虛擬頁
continue;

...

if(pte_present(ptent)){//虛擬頁相關(guān)的物理頁在內(nèi)存中（如沒有被換出到swap）
structpage*page;

page=vm_normal_page(vma,addr,ptent);//獲得虛擬頁相關(guān)的物理頁
...

ptent=ptep_get_and_clear_full(mm,addr,pte,
tlb->fullmm);//將頁表項(xiàng)清空（即是解除了映射關(guān)系），并返回原來的頁表項(xiàng)的內(nèi)容
tlb_remove_tlb_entry(tlb,pte,addr);
if(unlikely(!page))
continue;

if(!PageAnon(page)){//如果是文件頁
if(pte_dirty(ptent)){//是臟頁
force_flush=1;//強(qiáng)制刷tlb
set_page_dirty(page);//臟標(biāo)志傳遞到page結(jié)構(gòu)
}
if(pte_young(ptent)&&
|likely(!(vma->vm_flags&VM_SEQ_READ)))//如果頁表項(xiàng)訪問標(biāo)志置位，且是隨機(jī)訪問的vma，則標(biāo)記頁面被訪問
mark_page_accessed(page);
}
rss[mm_counter(page)]--;//進(jìn)程的相關(guān)rss做減1記賬
page_remove_rmap(page,false);//page->_mapcount--
if(unlikely(page_mapcount(page)if(unlikely(__tlb_remove_page(tlb,page))){//將物理頁記錄到積聚結(jié)構(gòu)中，如果分配不到mmu_gather_batch結(jié)構(gòu)或不支持返回true
force_flush=1;//強(qiáng)制刷tlb

addr+=PAGE_SIZE;//操作下一個(gè)虛擬頁
break;//退出循環(huán)
}
continue;//正常情況下，處理下一個(gè)虛擬頁
}

//下面處理虛擬頁相關(guān)的物理頁“不在”內(nèi)存中的情況，可能是交換到swap或者是遷移類型等
entry=pte_to_swp_entry(ptent);//頁表項(xiàng)得到swp_entry
if(is_device_private_entry(entry)){//處理設(shè)備內(nèi)存表項(xiàng)
structpage*page=device_private_entry_to_page(entry);

if(unlikely(details&&details->check_mapping)){
/*
|*unmap_shared_mapping_pages()wantsto
|*invalidatecachewithouttruncating:
|*unmapsharedbutkeepprivatepages.
|*/
if(details->check_mapping!=
|page_rmapping(page))
continue;
}

pte_clear_not_present_full(mm,addr,pte,tlb->fullmm);
rss[mm_counter(page)]--;
page_remove_rmap(page,false);
put_page(page);
continue;
}


....

if(!non_swap_entry(entry))//非遷移類型的swap_entry
rss[MM_SWAPENTS]--;//進(jìn)程相關(guān)的交換條目的rss減1
elseif(is_migration_entry(entry)){//遷移類型的表項(xiàng)
structpage*page;

page=migration_entry_to_page(entry);//得到對應(yīng)的物理頁
rss[mm_counter(page)]--;//進(jìn)程相關(guān)的物理頁類型的rss減1
}
if(unlikely(!free_swap_and_cache(entry)))//釋放swap條目
print_bad_pte(vma,addr,ptent,NULL);
pte_clear_not_present_full(mm,addr,pte,tlb->fullmm);//清除虛擬頁相關(guān)的物理頁的頁表映射
}while(pte++,addr+=PAGE_SIZE,addr!=end);//遍歷pmd表項(xiàng)管轄范圍內(nèi)的每一個(gè)虛擬頁

add_mm_rss_vec(mm,rss);//記錄到進(jìn)程的相關(guān)rss結(jié)構(gòu)中
arch_leave_lazy_mmu_mode();

/*DotheactualTLBflushbeforedroppingptl*/
if(force_flush)
tlb_flush_mmu_tlbonly(tlb);//如果是強(qiáng)制刷tlb，則刷tlb
pte_unmap_unlock(start_pte,ptl);//釋放進(jìn)程的頁表自旋鎖


/*
|*IfweforcedaTLBflush(eitherduetorunningoutof
|*batchbuffersorbecauseweneededtoflushdirtyTLB
|*entriesbeforereleasingtheptl),freethebatched
|*memorytoo.Restartifwedidn'tdoeverything.
|*/
if(force_flush){//如果是強(qiáng)制刷tlb，則釋放掉本次聚集的物理頁
force_flush=0;
tlb_flush_mmu(tlb);//釋放本次聚集的物理頁
}

...

returnaddr;

}

以上函數(shù)，遍歷進(jìn)程相關(guān)頁表（一個(gè)pmd表項(xiàng)指向一個(gè)頁表）所描述的范圍的每一個(gè)虛擬頁，如果之前已經(jīng)建立過映射，就將相關(guān)的頁表項(xiàng)清除，對于在內(nèi)存中物理頁來說，需要調(diào)用__tlb_remove_page將其加入到mmu的積聚結(jié)構(gòu)中，下面重點(diǎn)看下這個(gè)函數(shù)：

__tlb_remove_page
->__tlb_remove_page_size//mm/mmu_gather.c
->
bool__tlb_remove_page_size(structmmu_gather*tlb,structpage*page,intpage_size)
{
structmmu_gather_batch*batch;

...

batch=tlb->active;//獲得當(dāng)前批次的積聚結(jié)構(gòu)
/*
|*Addthepageandcheckifwearefull.Ifso
|*forceaflush.
|*/
batch->pages[batch->nr++]=page;//將頁面加入到批次的積聚結(jié)構(gòu)的pages數(shù)組中，并增加batch->nr計(jì)數(shù)
if(batch->nr==batch->max){//如果當(dāng)前批次的積聚結(jié)構(gòu)的pages數(shù)組中積聚的頁面?zhèn)€數(shù)到達(dá)最大個(gè)數(shù)
if(!tlb_next_batch(tlb))//獲得下一個(gè)批次積聚結(jié)構(gòu)
returntrue;//獲得不成功返回true
batch=tlb->active;
}
VM_BUG_ON_PAGE(batch->nr>batch->max,page);

returnfalse;//獲得下一個(gè)批次批次積聚結(jié)構(gòu)成功，返回false;
}

我們再來看下tlb_next_batch的實(shí)現(xiàn)：

staticbooltlb_next_batch(structmmu_gather*tlb)
{
structmmu_gather_batch*batch;

batch=tlb->active;
if(batch->next){//下一個(gè)批次積聚結(jié)構(gòu)存在
tlb->active=batch->next;//當(dāng)前的批次積聚結(jié)構(gòu)指向這個(gè)批次結(jié)構(gòu)
returntrue;
}

if(tlb->batch_count==MAX_GATHER_BATCH_COUNT)//如果批次數(shù)量達(dá)到最大值則返回false
returnfalse;

//批次還沒有到達(dá)最大值，則分配并初始化批次的積聚結(jié)構(gòu)
batch=(void*)__get_free_pages(GFP_NOWAIT|__GFP_NOWARN,0);//申請一個(gè)物理頁面由于存放mmu_gather_batch和page數(shù)組
if(!batch)
returnfalse;

tlb->batch_count++;//批次計(jì)數(shù)加1
batch->next=NULL;
batch->nr=0;
batch->max=MAX_GATHER_BATCH;//批次積聚結(jié)構(gòu)的page數(shù)組最大個(gè)數(shù)賦值為MAX_GATHER_BATCH

//插入到mmu積聚結(jié)構(gòu)的批次鏈表中
tlb->active->next=batch;
tlb->active=batch;

returntrue;
}

這里有幾個(gè)地方需要注意：MAX_GATHER_BATCH_COUNT 表示的是mmu積聚操作最多可以有多少個(gè)批次積聚結(jié)構(gòu)，他的值為10000UL/MAX_GATHER_BATCH （考慮到非搶占式內(nèi)核的soft lockups的影響）。MAX_GATHER_BATCH 表示一個(gè)批次的積聚結(jié)構(gòu)的 page數(shù)組的最多元素個(gè)數(shù)，他的值為((PAGE_SIZE - sizeof(struct mmu_gather_batch)) / sizeof(void *))，也就是物理頁面大小去除掉struct mmu_gather_batch結(jié)構(gòu)大小。

下面給出相關(guān)圖解：

解除頁表過程：

添加的到積聚結(jié)構(gòu)page數(shù)組頁面小于等于8個(gè)的情況：

添加的到積聚結(jié)構(gòu)page數(shù)組頁面大于8個(gè)的情況：

1個(gè)批次積聚結(jié)構(gòu)->

2個(gè)批次積聚結(jié)構(gòu)->

更多批次積聚結(jié)構(gòu)加入->

2.5 free_pgtables

unmap_vmas函數(shù)主要是積聚了一些相關(guān)的虛擬頁面對應(yīng)的物理頁面，但是我們還需要釋放各級頁表對應(yīng)的物理頁等。下面看下free_pgtables的實(shí)現(xiàn)：

首先看下它的主要脈絡(luò)：

//mm/memory.c
voidfree_pgtables(structmmu_gather*tlb,structvm_area_struct*vma,
unsignedlongfloor,unsignedlongceiling)
{
while(vma){//從起始的vma開始遍歷每個(gè)vma
structvm_area_struct*next=vma->vm_next;//獲得下一個(gè)vma
unsignedlongaddr=vma->vm_start;//獲得vma的起始地址

/*
|*Hidevmafromrmapandtruncate_pagecachebeforefreeing
|*pgtables
|*/
unlink_anon_vmas(vma);//解除匿名vma的反向映射關(guān)系
unlink_file_vma(vma);//解除文件vma反向映射關(guān)系

if(is_vm_hugetlb_page(vma)){
hugetlb_free_pgd_range(tlb,addr,vma->vm_end,
floor,next?next->vm_start:ceiling);
}else{
/*
|*Optimization:gathernearbyvmasintoonecalldown
|*/
while(next&&next->vm_start<=?vma->vm_end+PMD_SIZE
|&&!is_vm_hugetlb_page(next)){
vma=next;
next=vma->vm_next;
unlink_anon_vmas(vma);
unlink_file_vma(vma);
}
free_pgd_range(tlb,addr,vma->vm_end,
floor,next?next->vm_start:ceiling);//遍歷各級頁表
}
vma=next;
}
}

我們主要看free_pgd_range的實(shí)現(xiàn)：

free_pgd_range
->free_p4d_range
->free_pud_range
->free_pmd_range
->free_pte_range
->....
->pud_clear(pud);////清除pud頁目錄中的對應(yīng)的pud表項(xiàng)
pmd_free_tlb(tlb,pmd,start);//pmd頁目錄的物理頁放入頁表的積聚結(jié)構(gòu)中
mm_dec_nr_pmds(tlb->mm)//進(jìn)程使用的頁表的物理頁統(tǒng)計(jì)減1
->p4d_clear(p4d);//清除p4d頁目錄中的對應(yīng)的p4d表項(xiàng)
pud_free_tlb(tlb,pud,start)//pud頁目錄的物理頁放入頁表的積聚結(jié)構(gòu)中
->pgd_clear(pgd);//清除pgd頁目錄中的對應(yīng)的pgd表項(xiàng)
p4d_free_tlb(tlb,p4d,start);//p4d頁目錄的物理頁放入頁表的積聚結(jié)構(gòu)中（存在p4d頁目錄的話）

我們以最后一級頁表（pmd表項(xiàng)指向）為例說明：

staticvoidfree_pte_range(structmmu_gather*tlb,pmd_t*pmd,
|unsignedlongaddr)
{
pgtable_ttoken=pmd_pgtable(*pmd);//從相關(guān)的pmd表項(xiàng)指針中獲得頁表
pmd_clear(pmd);//清除pmd頁目錄中的對應(yīng)的pmd表項(xiàng),即是頁表指針
pte_free_tlb(tlb,token,addr);//存放頁表的物理頁放入頁表的積聚結(jié)構(gòu)中
mm_dec_nr_ptes(tlb->mm);//進(jìn)程使用的頁表的物理頁統(tǒng)計(jì)減1
}

看下pte_free_tlb函數(shù)：

//include/asm-generic/tlb.h
#ifndefpte_free_tlb
#definepte_free_tlb(tlb,ptep,address)
do{
tlb_flush_pmd_range(tlb,address,PAGE_SIZE);//更新tlb->start和tlb->end，tlb->cleared_pmds=1
tlb->freed_tables=1;
__pte_free_tlb(tlb,ptep,address);//存放頁表的物理頁放入頁表的積聚結(jié)構(gòu)中
}while(0)
#endif

再看看__pte_free_tlb：

//arch/arm64/include/asm/tlb.h
__pte_free_tlb
->pgtable_pte_page_dtor(pte);//執(zhí)行釋放頁表的時(shí)候的構(gòu)造函數(shù)，如釋放ptlock內(nèi)存，zone的頁表頁面統(tǒng)計(jì)減1等
tlb_remove_table(tlb,pte);//mm/mmu_gather.c
->structmmu_table_batch**batch=&tlb->batch;//獲得頁表的積聚結(jié)構(gòu)

if(*batch==NULL){//如何為空，則分配一個(gè)物理頁，存放積聚結(jié)構(gòu)和積聚數(shù)組
*batch=(structmmu_table_batch*)__get_free_page(GFP_NOWAIT|__GFP_NOWARN);
if(*batch==NULL){
tlb_table_invalidate(tlb);
tlb_remove_table_one(table);
return;
}
(*batch)->nr=0;
}

(*batch)->tables[(*batch)->nr++]=table;//相關(guān)的頁目錄對應(yīng)的物理頁放入積聚數(shù)組中
if((*batch)->nr==MAX_TABLE_BATCH)//加入的物理頁達(dá)到最大值
tlb_table_flush(tlb);//做一次刷tlb和釋放當(dāng)前已經(jīng)積聚的頁目錄的物理頁

需要說明的是：對于存放各級頁目錄的物理頁的釋放，每當(dāng)一個(gè)頁表積聚結(jié)構(gòu)填滿了就會釋放，不會構(gòu)建批次鏈表。

2.6 tlb_finish_mmu

通過上面的unmap_vmas和free_pgtables之后，我們積聚了大量的物理頁以及存放各級頁目錄的物理頁，現(xiàn)在需要將這些頁面進(jìn)行釋放。

下面我們來看下tlb_finish_mmu做的mmu-gather的收尾動作：

voidtlb_finish_mmu(structmmu_gather*tlb,
unsignedlongstart,unsignedlongend)
{
...

tlb_flush_mmu(tlb);//刷tlb和釋放所有積聚的物理頁

#ifndefCONFIG_MMU_GATHER_NO_GATHER
tlb_batch_list_free(tlb);//釋放各批次結(jié)構(gòu)對應(yīng)的物理頁
#endif
...
}

首先看下tlb_flush_mmu：

mm/mmu_gather.c

voidtlb_flush_mmu(structmmu_gather*tlb)
{
tlb_flush_mmu_tlbonly(tlb);//刷tlb
tlb_flush_mmu_free(tlb);//釋放各個(gè)批次積聚結(jié)構(gòu)的物理頁
}

tlb_flush_mmu_tlbonly的實(shí)現(xiàn)：

staticinlinevoidtlb_flush_mmu_tlbonly(structmmu_gather*tlb)
{
/*
|*Anythingcalling__tlb_adjust_range()alsosetsatleastoneof
|*thesebits.
|*/
if(!(tlb->freed_tables||tlb->cleared_ptes||tlb->cleared_pmds||
|tlb->cleared_puds||tlb->cleared_p4ds))//有一個(gè)為0即返回
return;

tlb_flush(tlb);//刷tlb，和處理器架構(gòu)相關(guān)
...
__tlb_reset_range(tlb);//將tlb->start和tlb->end以及tlb->freed_tables，tlb->cleared_xxx復(fù)位
}

我們來看下tlb_flush：

arch/arm64/include/asm/tlb.h
staticinlinevoidtlb_flush(structmmu_gather*tlb)
{
structvm_area_structvma=TLB_FLUSH_VMA(tlb->mm,0);
boollast_level=!tlb->freed_tables;
unsignedlongstride=tlb_get_unmap_size(tlb);
inttlb_level=tlb_get_level(tlb);//得到刷tlb的級別，如只刷pte級別

/*
|*Ifwe'retearingdowntheaddressspacethenweonlycareabout
|*invalidatingthewalk-cache,sincetheASIDallocatorwon't
|*reallocateourASIDwithoutinvalidatingtheentireTLB.
|*/
if(tlb->fullmm){//刷整個(gè)mm的tlb
if(!last_level)
flush_tlb_mm(tlb->mm);
return;
}

//刷一個(gè)虛擬內(nèi)存范圍的tlb
__flush_tlb_range(&vma,tlb->start,tlb->end,stride,
|last_level,tlb_level);
}

最后我們看tlb_flush_mmu_free：

staticvoidtlb_flush_mmu_free(structmmu_gather*tlb)
{
tlb_table_flush(tlb);//釋放之前積聚的存放各級頁目錄的物理頁
#ifndefCONFIG_MMU_GATHER_NO_GATHER
tlb_batch_pages_flush(tlb);//釋放各個(gè)批次積聚結(jié)構(gòu)積聚的物理頁
#endif
}

tlb_table_flush的實(shí)現(xiàn)：

staticvoidtlb_table_flush(structmmu_gather*tlb)
{
structmmu_table_batch**batch=&tlb->batch;//獲得當(dāng)前的頁表批次積聚結(jié)構(gòu)

if(*batch){
tlb_table_invalidate(tlb);//刷tlb
tlb_remove_table_free(*batch);//釋放頁目錄物理頁
*batch=NULL;
}
}

staticvoidtlb_remove_table_free(structmmu_table_batch*batch)
{
call_rcu(&batch->rcu,tlb_remove_table_rcu);//rsu延遲調(diào)用
->__tlb_remove_table_free(container_of(head,structmmu_table_batch,rcu));
->staticvoid__tlb_remove_table_free(structmmu_table_batch*batch)
{
inti;

for(i=0;inr;i++)//釋放頁表批次積聚結(jié)構(gòu)中的page數(shù)組中每一個(gè)物理頁
__tlb_remove_table(batch->tables[i]);

free_page((unsignedlong)batch);//釋放這個(gè)表批次積聚結(jié)構(gòu)對應(yīng)的物理頁
}

}

tlb_batch_pages_flush的實(shí)現(xiàn)：

staticvoidtlb_batch_pages_flush(structmmu_gather*tlb)
{
structmmu_gather_batch*batch;

for(batch=&tlb->local;batch&&batch->nr;batch=batch->next){//遍歷積聚批次鏈表的每一個(gè)批次積聚結(jié)構(gòu)
free_pages_and_swap_cache(batch->pages,batch->nr);//釋放積聚結(jié)構(gòu)的page數(shù)組的每一個(gè)物理頁
batch->nr=0;
}
tlb->active=&tlb->local;
}

最終是：調(diào)用free_pages_and_swap_cache將物理頁的引用計(jì)數(shù)減1 ，引用計(jì)數(shù)為0時(shí)就將這個(gè)物理頁釋放，還給伙伴系統(tǒng)。

雖然上面已經(jīng)釋放了相關(guān)的各級頁表的物理頁和映射到進(jìn)程地址空間的物理頁，但是存放積聚結(jié)構(gòu)和page數(shù)組的物理頁還沒有釋放，所以調(diào)用tlb_batch_list_free來做這個(gè)事情：

tlb_batch_list_free
->staticvoidtlb_batch_list_free(structmmu_gather*tlb)
{
structmmu_gather_batch*batch,*next;

for(batch=tlb->local.next;batch;batch=next){//釋放積聚結(jié)構(gòu)的物理頁從tlb->local.next開始的，遍歷所有批次的積聚結(jié)構(gòu)
next=batch->next;
free_pages((unsignedlong)batch,0);//釋放這個(gè)批次積聚結(jié)構(gòu)的物理頁
}
tlb->local.next=NULL;
}

于是相關(guān)的所有物理頁面都被釋放了（包括相關(guān)地址范圍內(nèi)進(jìn)程各級頁目錄對應(yīng)的物理頁，映射到進(jìn)程地址空間的物理頁，和各個(gè)積聚結(jié)構(gòu)所在的物理頁）。

最后給出整體的圖解：

tlb_flush_mmu函數(shù)的tlb_table_flush會將B鏈表中的相關(guān)物理頁面釋放（包括之前保存的各級頁表的頁面和mmu_table_batch結(jié)構(gòu)所在頁面），tlb_batch_pages_flush會將A鏈表的所有除了積聚結(jié)構(gòu)以外的所有物理頁面釋放，而tlb_batch_list_free會將A鏈表的所有批次積聚結(jié)構(gòu)（mmu_gather_batch）的物理頁面釋放。

3.應(yīng)用場景

使用mmu-gather的應(yīng)用場景主要是進(jìn)程退出，執(zhí)行execv和調(diào)用munmap等。

下面我們主要來看下他們的調(diào)用鏈：

3.1 進(jìn)程退出時(shí)

進(jìn)程退出時(shí)會釋放它的所有的相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)資源，其中就包括內(nèi)存資源：

kernel/exit.c
do_exit
->exit_mm
->mmput//kernel/fork.c
->if(atomic_dec_and_test(&mm->mm_users))//如果mm->mm_users減1為0時(shí)，也就是當(dāng)前進(jìn)程是最后一個(gè)mm的使用者
__mmput(mm);//釋放mm
->exit_mmap//mm/mmap.c
->tlb_gather_mmu(&tlb,mm,0,-1);//初始化mmu_gather結(jié)構(gòu)，start=0，end=-1表示釋放整個(gè)mm
->unmap_vmas(&tlb,vma,0,-1);//解除頁表映射，相關(guān)的物理頁放入積聚結(jié)構(gòu)中
>free_pgtables(&tlb,vma,FIRST_USER_ADDRESS,USER_PGTABLES_CEILING);//釋放各級頁表，頁表相關(guān)物理頁放入頁表積聚結(jié)構(gòu)，滿則釋放
>tlb_finish_mmu(&tlb,0,-1);//刷mm的tlb，釋放所有積聚物理頁，釋放所有積聚結(jié)構(gòu)相關(guān)物理頁

3.2 執(zhí)行execv時(shí)

執(zhí)行execv時(shí)進(jìn)程會將所有的mm釋放掉：

fs/exec.c

...
do_execveat_common
->bprm_execve
->exec_binprm
->search_binary_handler
...
->load_elf_binary//fs/binfmt_elf.c
->begin_new_exec
->exec_mmap
->mmput(old_mm)
->if(atomic_dec_and_test(&mm->mm_users))//如果mm->mm_users減1為0時(shí)，也就是當(dāng)前進(jìn)程是最后一個(gè)mm的使用者
__mmput(mm);//釋放mm
->exit_mmap//mm/mmap.c
->tlb_gather_mmu(&tlb,mm,0,-1);//初始化mmu_gather結(jié)構(gòu)，start=0，end=-1標(biāo)識釋放整個(gè)mm
->unmap_vmas(&tlb,vma,0,-1);//解除頁表映射，相關(guān)的物理頁放入積聚結(jié)構(gòu)中
->free_pgtables(&tlb,vma,FIRST_USER_ADDRESS,USER_PGTABLES_CEILING);//釋放各級頁表，頁表相關(guān)物理頁放入頁表積聚結(jié)構(gòu)，滿則釋放
->tlb_finish_mmu(&tlb,0,-1);//刷mm的tlb，釋放所有積聚物理頁，釋放所有積聚結(jié)構(gòu)相關(guān)物理頁

3.3 調(diào)用munmap時(shí)

執(zhí)行munmap時(shí)，會將一個(gè)地址范圍的頁表解除并釋放相關(guān)的物理頁面：

mm/mmap.c

...
__do_munmap
->unmap_region(mm,vma,prev,start,end);
->tlb_gather_mmu(&tlb,mm,start,end);//初始化mmu_gather結(jié)構(gòu)
unmap_vmas(&tlb,vma,start,end);//解除頁表映射，相關(guān)的物理頁放入積聚結(jié)構(gòu)中
free_pgtables(&tlb,vma,prev?prev->vm_end:FIRST_USER_ADDRESS,
|next?next->vm_start:USER_PGTABLES_CEILING);//釋放各級頁表，頁表相關(guān)物理頁放入頁表積聚結(jié)構(gòu)，滿則釋放
tlb_finish_mmu(&tlb,start,end);//刷mm的tlb，釋放所有積聚物理頁，釋放所有積聚結(jié)構(gòu)相關(guān)物理頁

4.總結(jié)

Linux內(nèi)核mmu-gather用于積聚解除映射的相關(guān)物理頁面，并保證了刷tlb和釋放物理頁面的順序。首先解除掉相關(guān)虛擬頁面對應(yīng)物理頁面（如果有的話）的頁表映射關(guān)系，然后將相關(guān)的物理頁面保存在積聚結(jié)構(gòu)的數(shù)組中，接著將相關(guān)的各級頁目錄表項(xiàng)清除，并放入頁表相關(guān)的積聚結(jié)構(gòu)的數(shù)組中，最后刷對應(yīng)內(nèi)存范圍的tlb，釋放掉所有放在積聚結(jié)構(gòu)數(shù)組中的物理頁面。