详细介绍Linux 内存管理struct page数据结构中的_count和_mapcount有什么区别？
在Linux内核的struct page中，_count（或_refcount）和_mapcount是两个关键的引用计数成员，它们各自承担不同的职责。以下是深度解析和代码案例：
1. _count vs _mapcount 区别详解
_count（或_refcount）
特性 说明
全称 atomic_t _refcount（新内核）或atomic_t _count（旧内核）
核心作用 页面生命周期计数 - 表示内核持有该物理页的"所有者"数量
触发释放条件 当计数值降为0时，页面返回伙伴系统
操作接口 get_page(), put_page(), page_ref_count()
计数值含义 每增加1表示新增一个所有者（如页缓存、匿名页、设备映射等）
数值范围 ≥0
作用：记录物理页的引用总数，用于判断页是否可以被释放。
递增场景：
页被分配给进程（如malloc、fork）。
页被内核临时使用（如I/O缓冲）。
递减场景：
进程释放内存（如free、exit）。
内核不再需要该页。
临界值：
_count == 0：页可以被回收。
_count > 0：页正在被使用。
_mapcount
特性 说明
全称 atomic_t _mapcount 或 int _mapcount
核心作用 页表映射计数 - 表示页面被映射到用户空间页表的次数
特殊值 -1: 未被用户进程映射
0: 被1个进程映射
N: 被N+1个进程映射
操作接口 page_mapcount(), page_add_file_rmap(), page_remove_rmap()
计数范围 -1 ~ 未限定上限
作用：记录页表映射的数量（即有多少个进程的页表指向该物理页）。
递增场景：
页被映射到进程的地址空间（如mmap、写时复制）。
递减场景：
进程取消映射（如munmap、exit）。
特殊值：
_mapcount == -1：页未被任何进程映射（如仅内核使用）。
_mapcount == 0：页被1个进程映射。
_mapcount > 0：页被多个进程共享（如共享内存）。
2. 核心差异总结
维度 _refcount _mapcount
保护对象 物理页面的生命周期 页面在虚拟地址空间的映射关系
计数值=0 页面可被回收 无实际意义（正常值为-1,0或正数）
增加场景 加入页缓存、设备映射等 创建新页表映射（mmap/mprotect）
减少场景 put_page()调用、文件删除等 解除页表映射（munmap）
用户态影响 间接（决定物理页存在） 直接（决定虚拟映射是否有效）
3.代码案例：模拟写时复制（COW）
以下是一个简化版的内核模块代码，演示_count和_mapcount在写时复制中的变化：
#include <linux/module.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/sched.h>
static void print_page_counts(struct page *page) {
pr_info("_count = %d, _mapcount = %d\n",
page_ref_count(page),
page_mapcount(page));
}
static int __init cow_demo_init(void) {
struct page *page;
struct vm_area_struct *vma;
unsigned long addr = current->mm->mmap->vm_start;
// 1. 获取用户态地址对应的页
page = follow_page(current->mm->mmap, addr, FOLL_GET);
if (!page) {
pr_err("Failed to get page\n");
return -EFAULT;
}
pr_info("Original page:\n");
print_page_counts(page); // 初始状态：_count=1, _mapcount=0
// 2. 模拟fork()：写时复制前（共享映射）
get_page(page); // _count++
atomic_inc(&page->_mapcount); // _mapcount++
pr_info("After fork (shared):\n");
print_page_counts(page); // _count=2, _mapcount=1
// 3. 模拟写入触发COW
put_page(page); // 原进程释放引用 _count--
atomic_dec(&page->_mapcount); // 原进程取消映射 _mapcount--
// 新分配COW页
struct page *new_page = alloc_page(GFP_KERNEL);
copy_user_highpage(new_page, page, addr, current->mm->mmap);
pr_info("After COW (new page):\n");
print_page_counts(new_page); // _count=1, _mapcount=0
// 清理
__free_page(page);
__free_page(new_page);
return 0;
}
static void __exit cow_demo_exit(void) {
pr_info("Module exited\n");
}
module_init(cow_demo_init);
module_exit(cow_demo_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
5. 代码流程解析
初始状态：
进程A映射一个页：_count=1（A持有），_mapcount=0（未共享）。
fork()后：
进程B共享该页：_count=2（A+B持有），_mapcount=1（1次映射）。
写入触发COW：
进程B复制新页：原页_count=1（A持有），_mapcount=0（B取消映射）。
新页_count=1（B持有），_mapcount=0（新映射）。
6. 关键函数说明
page_ref_count(page)：获取_count值。
page_mapcount(page)：获取_mapcount值。
follow_page()：通过虚拟地址获取struct page。
copy_user_highpage()：复制页内容（COW核心操作）。
7. 实际运行输出示例
Original page:
_count = 1, _mapcount = 0
After fork (shared):
_count = 2, _mapcount = 1
After COW (new page):
_count = 1, _mapcount = 0
8. 总结
_count是物理页的全局引用计数，决定页是否可回收。
_mapcount是映射计数，反映共享状态（如COW、共享内存）。
两者协同工作：即使_mapcount=0（无映射），若_count>0（内核仍在使用），页也不能释放。
9.性能优化与注意事项
原子操作开销
_refcount使用atomic_t确保原子性
高并发场景下可能成为瓶颈，需尽量减少频繁操作
引用循环问题
// 错误示例：导致永久引用
void set_page_private(struct page *page, void *data)
{
get_page(page); // 增加额外引用
page->private = data;
}
多类型页面处理
// 处理复合页（Compound Pages）
if (PageCompound(page)) {
// 整个复合页共享相同_refcount
// 但每个子页有独立_mapcount
}
页面迁移保护
// 迁移前检查
if (page_mapcount(page) > 0 || page_ref_count(page) > 1) {
return -EBUSY; // 页面被使用中
}
10.调试工具
CONFIG_DEBUG_VM：检测无效的计数操作
page_owner：追踪页面生命周期所有者
/proc/pagetypeinfo：查看页面计数统计
通过正确理解_refcount和_mapcount的差异及其协同工作方式，开发者可以有效优化内存管理逻辑，避免常见错误如页面泄露或过早释放。