Linux内核6.6 内存管理（13）匿名页面的生命周期

0.匿名页面和paga cache

1.匿名页面的诞生

• malloc/mmap 接口分配的内存 -> do_anonymous_page ()
• 写时复制：当缺页中断出现写保护错误时，新分配的页面是匿名页面
• （1）do_wp_page ()
• 只读的 special 映射的页，例如映射到 zero page 的页面。
• 非单身匿名页面（有多个映射的匿名页面，即 page->_mapcount > 0）
• 只读的私用映射的 page cache。
• KSM 页面。
• （2）do_cow_page ()
• 共享的匿名页面（shared anonymous mapping，shmm）
• 上述这些情况在发生写时复制时会新分配匿名页面。
• do_swap_page ()，从 swap 分区读回数据时会新分配匿名页面。
• 迁移页面。

2.使用场景

2.1匿名页面的使用

匿名页面在缺页中断中分配完成之后，就建立了进程虚拟地址空间VMA和物理页面的映射关系，用户进程访问虚拟地址即访问到匿名页面的内容

2.2匿名页面的换出

https://elixir.bootlin.com/linux/v6.6/source/mm/vmscan.c#L1705

2.3匿名页面的换入

匿名页面被换出到swap分区后，如果应用程序需要读写这个页面，缺页中断发生，因为pte中的present比特位显示该页不在内存中，但是pte表项不为空，说明该页在swap分区中，可以调用do_swap_page重新读入该页的内容。

https://elixir.bootlin.com/linux/v6.6/source/mm/memory.c#L3722

在这之前先科普一下swap，swap 区域属于存储设备（通常是硬盘或固态硬盘）上的一块专门空间，从你的硬盘 / SSD 里划分出来的一块 “特殊分区” 或文件，专门用来临时存放内存中暂时不用的数据（当内存不够时）。本质上，它依托于物理存储设备存在，只是功能上模拟了部分内存的作用（尽管速度慢很多）。

struct vm_area_struct *vma = vmf->vma;
struct folio *swapcache, *folio = NULL;
struct page *page;
struct swap_info_struct *si = NULL;
rmap_t rmap_flags = RMAP_NONE;
bool exclusive = false;
swp_entry_t entry;
pte_t pte;
vm_fault_t ret = 0;
void *shadow = NULL;

if (!pte_unmap_same(vmf))
    goto out;
	
初始化核心变量和关键检查pte_unmap_same(vmf)：验证当前页表项（PTE）是否与函数入口时一致。由于函数运行期间可能有其他进程修改 PTE（如并发缺页），若不一致则直接跳转至出口（out），避免操作无效地址。

entry = pte_to_swp_entry(vmf->orig_pte);//提取交换页entry
if (unlikely(non_swap_entry(entry))) {//处理非标准交换页，包括：到22行
    if (is_migration_entry(entry)) {
        migration_entry_wait(vma->vm_mm, vmf->pmd, vmf->address);
    } else if (is_device_exclusive_entry(entry)) {
        vmf->page = pfn_swap_entry_to_page(entry);
        ret = remove_device_exclusive_entry(vmf);
    } else if (is_device_private_entry(entry)) {
        // 设备私有页迁移到内存的处理
        // ...（省略细节）
    } else if (is_hwpoison_entry(entry)) {
        ret = VM_FAULT_HWPOISON;
    } else if (is_pte_marker_entry(entry)) {
        ret = handle_pte_marker(vmf);
    } else {
        print_bad_pte(vma, vmf->address, vmf->orig_pte, NULL);
        ret = VM_FAULT_SIGBUS;
    }
    goto out;
}

迁移项（进程迁移时的临时标记）：等待迁移完成（migration_entry_wait）。
设备独占 / 私有项（如 GPU 等设备管理的内存）：移除独占标记或迁移到系统内存。
硬件毒页（损坏页面）：返回硬件错误（VM_FAULT_HWPOISON）。
无效项：输出错误日志并返回总线错误（VM_FAULT_SIGBUS）。

si = get_swap_device(entry); //锁定交换设备，防止操作期间交换设备被卸载，保证读取安全
if (unlikely(!si))
    goto out;

folio = swap_cache_get_folio(entry, vma, vmf->address);//优先从交换缓存中获取页面
if (folio)
    page = folio_file_page(folio, swp_offset(entry));
swapcache = folio;

if (!folio) { //缓存未命中
    if (data_race(si->flags & SWP_SYNCHRONOUS_IO) && __swap_count(entry) == 1) {
        // 直接分配新页并从交换空间读取（同步IO设备）
        folio = vma_alloc_folio(...);
        // ...（锁定页面、充电、读取数据等）
    } else {
        // 普通设备：预读机制读取
        page = swapin_readahead(entry, GFP_HIGHUSER_MOVABLE, vmf);
        folio = page ? page_folio(page) : NULL;
    }
    if (!folio) {
        // 读取失败：检查PTE是否仍有效，无效则释放资源，有效则返回OOM
        vmf->pte = pte_offset_map_lock(...);
        if (likely(vmf->pte && pte_same(...)))
            ret = VM_FAULT_OOM;
        goto unlock;
    }
    ret = VM_FAULT_MAJOR; // 标记为主缺页（从磁盘读取）
} else if (PageHWPoison(page)) {
    ret = VM_FAULT_HWPOISON;
    goto out_release;
}

ret |= folio_lock_or_retry(folio, vmf);//锁定页面，防止并发修改
if (ret & VM_FAULT_RETRY)
    goto out_release;

if (swapcache) {
    if (unlikely(!folio_test_swapcache(folio) || page_swap_entry(page).val != entry.val))
        goto out_page;
    // KSM（内核同页合并）相关处理：可能需要复制页面
    page = ksm_might_need_to_copy(page, vma, vmf->address);
    // ...（处理KSM返回的错误）
}

folio_throttle_swaprate(folio, GFP_KERNEL); // 限制交换速率，避免系统过载

vmf->pte = pte_offset_map_lock(vma->vm_mm, vmf->pmd, vmf->address, &vmf->ptl);
if (unlikely(!vmf->pte || !pte_same(ptep_get(vmf->pte), vmf->orig_pte)))
    goto out_nomap;   //再次校验页面，因为并发场景下，PTE可能已被修改

if (unlikely(!folio_test_uptodate(folio))) { //检测页面是否就绪
    ret = VM_FAULT_SIGBUS;
    goto out_nomap;
}

// 检查页面状态一致性（BUG_ON用于调试，确保无逻辑错误）
BUG_ON(!folio_test_anon(folio) && folio_test_mappedtodisk(folio));
BUG_ON(folio_test_anon(folio) && PageAnonExclusive(page));

// 判断页面是否独占（用于写权限处理）
exclusive = pte_swp_exclusive(vmf->orig_pte);
// ...（根据页面是否在缓存、是否有写回等调整exclusive）

arch_swap_restore(entry, folio); // 恢复架构特定元数据（如某些CPU的页面属性）

swap_free(entry); // 释放交换项（减少交换空间引用计数）
if (should_try_to_free_swap(folio, vma, vmf->flags))
    folio_free_swap(folio); // 若无需缓存，释放交换缓存

// 更新内存统计（匿名页+1，交换项-1）
inc_mm_counter(vma->vm_mm, MM_ANONPAGES);
dec_mm_counter(vma->vm_mm, MM_SWAPENTS);

// 创建新PTE并设置权限
pte = mk_pte(page, vma->vm_page_prot);
if (!folio_test_ksm(folio) && (exclusive || folio_ref_count(folio) == 1)) {
    if (vmf->flags & FAULT_FLAG_WRITE) {
        pte = maybe_mkwrite(pte_mkdirty(pte), vma); // 标记为可写+脏页
        vmf->flags &= ~FAULT_FLAG_WRITE;
    }
    rmap_flags |= RMAP_EXCLUSIVE;
}

// 设置软脏位、用户fault标记
if (pte_swp_soft_dirty(vmf->orig_pte))
    pte = pte_mksoft_dirty(pte);
if (pte_swp_uffd_wp(vmf->orig_pte))
    pte = pte_mkuffd_wp(pte);

// 建立反向映射（记录虚拟地址到物理页面的映射，用于内存回收）
if (unlikely(folio != swapcache && swapcache)) {
    page_add_new_anon_rmap(page, vma, vmf->address);
} else {
    page_add_anon_rmap(page, vma, vmf->address, rmap_flags);
}

set_pte_at(vma->vm_mm, vmf->address, vmf->pte, pte); // 更新页表，完成映射
arch_do_swap_page(vma->vm_mm, vma, vmf->address, pte, vmf->orig_pte); // 架构特定处理

folio_unlock(folio); // 解锁页面，允许其他进程访问
if (folio != swapcache && swapcache) {
    folio_unlock(swapcache);
    folio_put(swapcache); // 释放交换缓存
}

if (vmf->flags & FAULT_FLAG_WRITE) {
    ret |= do_wp_page(vmf); // 处理写时复制（若为写操作）
    if (ret & VM_FAULT_ERROR)
        ret &= VM_FAULT_ERROR;
    goto out;
}

update_mmu_cache_range(vmf, vma, vmf->address, vmf->pte, 1); // 更新MMU缓存，使映射生效

unlock:
if (vmf->pte)
    pte_unmap_unlock(vmf->pte, vmf->ptl); // 解锁并取消PTE映射
out:
if (si)
    put_swap_device(si); // 释放交换设备引用
return ret;

// 错误处理路径（out_nomap/out_page/out_release）：释放页面、PTE锁、交换设备等资源

2.4匿名页面的释放

当用户进程关闭或者退出时，会扫描这个用户进程所有的VMAs, 并会清除这些VMA上所有的的映射，如果符合释放标准，相关页面会被释放