linux kernel /proc/$PID/maps 中的脏页记帐

Question

TLDR； kernel 究竟是如何在 /proc/$PID/maps 中进行脏页统计的。

考虑 C 中的以下程序语句

static char page1[PAGE_SIZE] __attribute__ ((aligned (PAGE_SIZE)))

现在未初始化的变量在开始时为零。 我的理解是，在程序开始时，kernel 将未初始化的变量映射到零页，并进行页的写时复制惰性分配。 很好，这样 kernel 可以在页面错误发生时解释未初始化部分的脏页。

现在考虑语句

static char page1[PAGE_SIZE] __attribute__ ((aligned (PAGE_SIZE))) = {'c'}

在这里，加载器将在程序初始化时加载 page1 的值，并将页面标记为 RW。 因此，程序所做的任何写入都必须对 kernel 不可见，因为不会触发页面错误。

这是我为实验编写的程序。

#define PAGE_SIZE (4*1024)
static char page1[PAGE_SIZE] __attribute__ ((aligned (PAGE_SIZE))) = {'c'};
int main()
{
  char c; int i; int *d;
  scanf("%c", &c);                // --------- tag 1
  for(i = 0; i < PAGE_SIZE; i++)
    {
      page1[i] = c;               // --------- tag 2
    }
  d = malloc(sizeof(int));
  while(1);
  return 0;
}

现在，在标签 1 之前和标签 2 之后（代码中的注释），包含page1的部分的/proc/$PID/smaps的 output 粘贴在下表中

地图	TAG-1 之前	TAG-2 之后
尺寸：	8 KB	8 KB
内核页面大小：	4 KB	4 KB
MMU页面大小：	4 KB	4 KB
回复：	8 KB	8 KB
附：	8 KB	8 KB
Shared_Clean：	0 KB	0 KB
Shared_Dirty：	0 KB	0 KB
私人清洁：	4 KB	0 KB
Private_Dirty ：	4 KB	8 KB
参考：	8 KB	8 KB
匿名：	4 KB	8 KB

如您所见，粗体颜色的参数发生了变化。

问题

1. kernel 到底是怎么知道我写了这个页面的？
2. 这个匿名字段是什么以及它为什么会改变？

任何其他详细解释所有工作的页面/博客/手册都会有所帮助。

我猜：

也许 kernel 将页面标记为 RO，即使它是 RW 以便触发页面错误并且它可以进行计算。 或者也许有一些其他进程不断地遍历进程的页表，但这太昂贵了。

Answer 1

现在考虑语句

static char page1[PAGE_SIZE] __attribute__ ((aligned (PAGE_SIZE))) = {'c'}

在这里，加载器将在程序初始化时加载 page1 的值，并将页面标记为 RW。

您似乎相信加载程序会为该语句写入 memory，但事实并非如此。

在这种情况下发生的不是mmap RW + 字节'c'写入。 该字节已经在编译时嵌入到您的可执行文件中，因此唯一发生的就是mmap RW，仅此而已。 像这样的东西：

mmap(0, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd_of_your_elf, offset_of_data_section);

或者，最有可能的是mmap(...entire file...)后跟一系列mprotect() ，对 ELF 的不同部分具有正确的权限。

实际上，执行此操作的甚至不是加载程序，而是 kernel 本身将可执行文件映射到 memory 在这种情况下，假设您以./exe启动程序。 加载程序仅在以/path/to/loader./exe调用时自行映射程序。 另请参阅我的另一个答案，其中我有更详细的解释。

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kernel 到底是怎么知道我写了这个页面的？

您可能已经知道，当您的程序最初映射到 memory （包括包含page1的页面）时，即使该页面的映射是 RW，也没有真正需要 kernel 实际分配 ZCD69B4957F06CDDE298D7 到 a3BF6198发生读或写。 这种技术称为需求分页。 最初（在映射之后）该页面甚至不存在于进程的页表中：它仅作为任务的 memory map 中的许多vm_area_struct条目之一存在。

当发生页面错误（由读取或写入引起）时，kernel 然后根据映射的性质决定要做什么。 在这种情况下，映射是文件支持的（整个page1数组的实际初始值在编译时写入您的 ELF 文件），因此两种可能的情况如下：

1. 当发生 memory读取时，会发生页面错误，并将页面内容从文件读取到 memory。 新分配的页面现在被标记为只读，即使它被映射为 RW（kernel 仍然知道这个 VMA 是 RW）。

2. 当发生 memory写入时，有两种情况：（ A ）页面已经存在于 memory 中，因为之前的读取（并标记为 RO），或者（ B ）页面根本不在 ZCD69B4957F0190CD818D7BFED3 中，因为第一个 memory 访问它。 在这两种情况下，都会发生页面错误，kernel 检查是否允许写入（是的），并发生写入时复制。

   由于页面是文件支持的，但不是共享的（即不使用MAP_SHARED映射），因此不需要将数据写回文件，因此 kernel 只需分配一个新的匿名页面，然后将内容从前一个页面复制过来页（案例A ）或在应用写入之前将页面从文件读取到 memory （案例B ）。 这就是为什么您会看到Anonymous go 从 0kB 到 4kB。

   此外，由于旧页面在写时复制之前只有一个用户，因此可以将其释放，这就是您看到Rss保持不变的原因。 最后，在写入之前页面是干净的（不脏），而在写入之后它变得脏（不干净），所以这就是为什么您会看到Private_Clean和Private_Dirty更改值的原因。