linux kernel /proc/$PID/maps 中的臟頁記帳

Question

TLDR； kernel 究竟是如何在 /proc/$PID/maps 中進行臟頁統計的。

考慮 C 中的以下程序語句

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

現在未初始化的變量在開始時為零。 我的理解是，在程序開始時，kernel 將未初始化的變量映射到零頁，並進行頁的寫時復制惰性分配。 很好，這樣 kernel 可以在頁面錯誤發生時解釋未初始化部分的臟頁。

現在考慮語句

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

在這里，加載器將在程序初始化時加載 page1 的值，並將頁面標記為 RW。 因此，程序所做的任何寫入都必須對 kernel 不可見，因為不會觸發頁面錯誤。

這是我為實驗編寫的程序。

#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;
}

現在，在標簽 1 之前和標簽 2 之后（代碼中的注釋），包含page1的部分的/proc/$PID/smaps的 output 粘貼在下表中

地圖	TAG-1 之前	TAG-2 之后
尺寸：	8 KB	8 KB
內核頁面大小：	4 KB	4 KB
MMU頁面大小：	4 KB	4 KB
回復：	8 KB	8 KB
附：	8 KB	8 KB
Shared_Clean：	0 KB	0 KB
Shared_Dirty：	0 KB	0 KB
私人清潔：	4 KB	0 KB
Private_Dirty ：	4 KB	8 KB
參考：	8 KB	8 KB
匿名：	4 KB	8 KB

如您所見，粗體顏色的參數發生了變化。

問題

1. kernel 到底是怎么知道我寫了這個頁面的？
2. 這個匿名字段是什么以及它為什么會改變？

任何其他詳細解釋所有工作的頁面/博客/手冊都會有所幫助。

我猜：

也許 kernel 將頁面標記為 RO，即使它是 RW 以便觸發頁面錯誤並且它可以進行計算。 或者也許有一些其他進程不斷地遍歷進程的頁表，但這太昂貴了。

Answer 1

現在考慮語句

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

在這里，加載器將在程序初始化時加載 page1 的值，並將頁面標記為 RW。

您似乎相信加載程序會為該語句寫入 memory，但事實並非如此。

在這種情況下發生的不是mmap RW + 字節'c'寫入。 該字節已經在編譯時嵌入到您的可執行文件中，因此唯一發生的就是mmap RW，僅此而已。 像這樣的東西：

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() ，對 ELF 的不同部分具有正確的權限。

實際上，執行此操作的甚至不是加載程序，而是 kernel 本身將可執行文件映射到 memory 在這種情況下，假設您以./exe啟動程序。 加載程序僅在以/path/to/loader./exe調用時自行映射程序。 另請參閱我的另一個答案，其中我有更詳細的解釋。

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kernel 到底是怎么知道我寫了這個頁面的？

您可能已經知道，當您的程序最初映射到 memory （包括包含page1的頁面）時，即使該頁面的映射是 RW，也沒有真正需要 kernel 實際分配 ZCD69B4957F06CDDE298D7 到 a3BF6198發生讀或寫。 這種技術稱為需求分頁。 最初（在映射之后）該頁面甚至不存在於進程的頁表中：它僅作為任務的 memory map 中的許多vm_area_struct條目之一存在。

當發生頁面錯誤（由讀取或寫入引起）時，kernel 然后根據映射的性質決定要做什么。 在這種情況下，映射是文件支持的（整個page1數組的實際初始值在編譯時寫入您的 ELF 文件），因此兩種可能的情況如下：

1. 當發生 memory讀取時，會發生頁面錯誤，並將頁面內容從文件讀取到 memory。 新分配的頁面現在被標記為只讀，即使它被映射為 RW（kernel 仍然知道這個 VMA 是 RW）。

2. 當發生 memory寫入時，有兩種情況：（ A ）頁面已經存在於 memory 中，因為之前的讀取（並標記為 RO），或者（ B ）頁面根本不在 ZCD69B4957F0190CD818D7BFED3 中，因為第一個 memory 訪問它。 在這兩種情況下，都會發生頁面錯誤，kernel 檢查是否允許寫入（是的），並發生寫入時復制。

   由於頁面是文件支持的，但不是共享的（即不使用MAP_SHARED映射），因此不需要將數據寫回文件，因此 kernel 只需分配一個新的匿名頁面，然后將內容從前一個頁面復制過來頁（案例A ）或在應用寫入之前將頁面從文件讀取到 memory （案例B ）。 這就是為什么您會看到Anonymous go 從 0kB 到 4kB。

   此外，由於舊頁面在寫時復制之前只有一個用戶，因此可以將其釋放，這就是您看到Rss保持不變的原因。 最后，在寫入之前頁面是干凈的（不臟），而在寫入之后它變得臟（不干凈），所以這就是為什么您會看到Private_Clean和Private_Dirty更改值的原因。