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Linux 6.18.37 · Administration / Memory Management

Examining Process Page Tables

pagemap bit layout, PFN별 page metadata와 PAGEMAP_SCAN 기반 dirty tracking을 설명합니다.

Source pathDocumentation/admin-guide/mm/pagemap.rst
Source versionLinux v6.18.37
TranslationDUJINLABS 전문 번역 + 해설

요약·해설과 원문, 전문 번역을 서로 분리했습니다. API 이름, symbol, source path는 원문 표기를 사용합니다.

1. 요약·해설

원문의 핵심 논리와 kernel programming 관점의 보충 설명입니다. 아래의 전문 번역과는 별도로 작성했습니다.

운영 핵심

pagemap.rst:1-316

pagemap 계열 interface는 virtual address와 PFN, mapping count, page flag, memory cgroup charge를 연결합니다. PFN 권한 제한과 THP·shared memory의 보수적 semantics를 고려해야 하며, 대량 dirty tracking에는 `PAGEMAP_SCAN`과 async userfaultfd write protection을 함께 사용합니다.

관점핵심
주소 변환/proc/pid/pagemap에서 virtual page의 PFN·swap·PTE 상태 조회
전역 page 정보kpagecount·kpageflags·kpagecgroup을 PFN으로 index
보안CAP_SYS_ADMIN이 없으면 PFN field가 0으로 숨겨짐
정확성THP mapping count·exclusive bit와 IDLE flag는 해석 조건 확인 필요
증분 추적PAGEMAP_SCAN과 userfaultfd async WP로 dirty page scan

2. 영어 원문 전체

번역 기준이 된 Linux v6.18.37 원문입니다. 줄 번호는 이 버전의 파일 좌표입니다.

원문 전체 펼치기
1 =============================
2 Examining Process Page Tables
3 =============================
4
5 pagemap is a new (as of 2.6.25) set of interfaces in the kernel that allow
6 userspace programs to examine the page tables and related information by
7 reading files in ``/proc``.
8
9 There are four components to pagemap:
10
11 * ``/proc/pid/pagemap``. This file lets a userspace process find out which
12 physical frame each virtual page is mapped to. It contains one 64-bit
13 value for each virtual page, containing the following data (from
14 ``fs/proc/task_mmu.c``, above pagemap_read):
15
16 * Bits 0-54 page frame number (PFN) if present
17 * Bits 0-4 swap type if swapped
18 * Bits 5-54 swap offset if swapped
19 * Bit 55 pte is soft-dirty (see
20 Documentation/admin-guide/mm/soft-dirty.rst)
21 * Bit 56 page exclusively mapped (since 4.2)
22 * Bit 57 pte is uffd-wp write-protected (since 5.13) (see
23 Documentation/admin-guide/mm/userfaultfd.rst)
24 * Bit 58 pte is a guard region (since 6.15) (see madvise (2) man page)
25 * Bits 59-60 zero
26 * Bit 61 page is file-page or shared-anon (since 3.5)
27 * Bit 62 page swapped
28 * Bit 63 page present
29
30 Since Linux 4.0 only users with the CAP_SYS_ADMIN capability can get PFNs.
31 In 4.0 and 4.1 opens by unprivileged fail with -EPERM. Starting from
32 4.2 the PFN field is zeroed if the user does not have CAP_SYS_ADMIN.
33 Reason: information about PFNs helps in exploiting Rowhammer vulnerability.
34
35 If the page is not present but in swap, then the PFN contains an
36 encoding of the swap file number and the page's offset into the
37 swap. Unmapped pages return a null PFN. This allows determining
38 precisely which pages are mapped (or in swap) and comparing mapped
39 pages between processes.
40
41 Traditionally, bit 56 indicates that a page is mapped exactly once and bit
42 56 is clear when a page is mapped multiple times, even when mapped in the
43 same process multiple times. In some kernel configurations, the semantics
44 for pages part of a larger allocation (e.g., THP) can differ: bit 56 is set
45 if all pages part of the corresponding large allocation are *certainly*
46 mapped in the same process, even if the page is mapped multiple times in that
47 process. Bit 56 is clear when any page page of the larger allocation
48 is *maybe* mapped in a different process. In some cases, a large allocation
49 might be treated as "maybe mapped by multiple processes" even though this
50 is no longer the case.
51
52 Efficient users of this interface will use ``/proc/pid/maps`` to
53 determine which areas of memory are actually mapped and llseek to
54 skip over unmapped regions.
55
56 * ``/proc/kpagecount``. This file contains a 64-bit count of the number of
57 times each page is mapped, indexed by PFN. Some kernel configurations do
58 not track the precise number of times a page part of a larger allocation
59 (e.g., THP) is mapped. In these configurations, the average number of
60 mappings per page in this larger allocation is returned instead. However,
61 if any page of the large allocation is mapped, the returned value will
62 be at least 1.
63
64 The page-types tool in the tools/mm directory can be used to query the
65 number of times a page is mapped.
66
67 * ``/proc/kpageflags``. This file contains a 64-bit set of flags for each
68 page, indexed by PFN.
69
70 The flags are (from ``fs/proc/page.c``, above kpageflags_read):
71
72 0. LOCKED
73 1. ERROR
74 2. REFERENCED
75 3. UPTODATE
76 4. DIRTY
77 5. LRU
78 6. ACTIVE
79 7. SLAB
80 8. WRITEBACK
81 9. RECLAIM
82 10. BUDDY
83 11. MMAP
84 12. ANON
85 13. SWAPCACHE
86 14. SWAPBACKED
87 15. COMPOUND_HEAD
88 16. COMPOUND_TAIL
89 17. HUGE
90 18. UNEVICTABLE
91 19. HWPOISON
92 20. NOPAGE
93 21. KSM
94 22. THP
95 23. OFFLINE
96 24. ZERO_PAGE
97 25. IDLE
98 26. PGTABLE
99
100 * ``/proc/kpagecgroup``. This file contains a 64-bit inode number of the
101 memory cgroup each page is charged to, indexed by PFN. Only available when
102 CONFIG_MEMCG is set.
103
104 Short descriptions to the page flags
105 ====================================
106
107 0 - LOCKED
108 The page is being locked for exclusive access, e.g. by undergoing read/write
109 IO.
110 7 - SLAB
111 The page is managed by the SLAB/SLUB kernel memory allocator.
112 When compound page is used, either will only set this flag on the head
113 page.
114 10 - BUDDY
115 A free memory block managed by the buddy system allocator.
116 The buddy system organizes free memory in blocks of various orders.
117 An order N block has 2^N physically contiguous pages, with the BUDDY flag
118 set for and _only_ for the first page.
119 15 - COMPOUND_HEAD
120 A compound page with order N consists of 2^N physically contiguous pages.
121 A compound page with order 2 takes the form of "HTTT", where H donates its
122 head page and T donates its tail page(s). The major consumers of compound
123 pages are hugeTLB pages (Documentation/admin-guide/mm/hugetlbpage.rst),
124 the SLUB etc. memory allocators and various device drivers.
125 However in this interface, only huge/giga pages are made visible
126 to end users.
127 16 - COMPOUND_TAIL
128 A compound page tail (see description above).
129 17 - HUGE
130 This is an integral part of a HugeTLB page.
131 19 - HWPOISON
132 Hardware detected memory corruption on this page: don't touch the data!
133 20 - NOPAGE
134 No page frame exists at the requested address.
135 21 - KSM
136 Identical memory pages dynamically shared between one or more processes.
137 22 - THP
138 Contiguous pages which construct THP of any size and mapped by any granularity.
139 23 - OFFLINE
140 The page is logically offline.
141 24 - ZERO_PAGE
142 Zero page for pfn_zero or huge_zero page.
143 25 - IDLE
144 The page has not been accessed since it was marked idle (see
145 Documentation/admin-guide/mm/idle_page_tracking.rst).
146 Note that this flag may be stale in case the page was accessed via
147 a PTE. To make sure the flag is up-to-date one has to read
148 ``/sys/kernel/mm/page_idle/bitmap`` first.
149 26 - PGTABLE
150 The page is in use as a page table.
151
152 IO related page flags
153 ---------------------
154
155 1 - ERROR
156 IO error occurred.
157 3 - UPTODATE
158 The page has up-to-date data.
159 ie. for file backed page: (in-memory data revision >= on-disk one)
160 4 - DIRTY
161 The page has been written to, hence contains new data.
162 i.e. for file backed page: (in-memory data revision > on-disk one)
163 8 - WRITEBACK
164 The page is being synced to disk.
165
166 LRU related page flags
167 ----------------------
168
169 5 - LRU
170 The page is in one of the LRU lists.
171 6 - ACTIVE
172 The page is in the active LRU list.
173 18 - UNEVICTABLE
174 The page is in the unevictable (non-)LRU list It is somehow pinned and
175 not a candidate for LRU page reclaims, e.g. ramfs pages,
176 shmctl(SHM_LOCK) and mlock() memory segments.
177 2 - REFERENCED
178 The page has been referenced since last LRU list enqueue/requeue.
179 9 - RECLAIM
180 The page will be reclaimed soon after its pageout IO completed.
181 11 - MMAP
182 A memory mapped page.
183 12 - ANON
184 A memory mapped page that is not part of a file.
185 13 - SWAPCACHE
186 The page is mapped to swap space, i.e. has an associated swap entry.
187 14 - SWAPBACKED
188 The page is backed by swap/RAM.
189
190 The page-types tool in the tools/mm directory can be used to query the
191 above flags.
192
193 Exceptions for Shared Memory
194 ============================
195
196 Page table entries for shared pages are cleared when the pages are zapped or
197 swapped out. This makes swapped out pages indistinguishable from never-allocated
198 ones.
199
200 In kernel space, the swap location can still be retrieved from the page cache.
201 However, values stored only on the normal PTE get lost irretrievably when the
202 page is swapped out (i.e. SOFT_DIRTY).
203
204 In user space, whether the page is present, swapped or none can be deduced with
205 the help of lseek and/or mincore system calls.
206
207 lseek() can differentiate between accessed pages (present or swapped out) and
208 holes (none/non-allocated) by specifying the SEEK_DATA flag on the file where
209 the pages are backed. For anonymous shared pages, the file can be found in
210 ``/proc/pid/map_files/``.
211
212 mincore() can differentiate between pages in memory (present, including swap
213 cache) and out of memory (swapped out or none/non-allocated).
214
215 Other notes
216 ===========
217
218 Reading from any of the files will return -EINVAL if you are not starting
219 the read on an 8-byte boundary (e.g., if you sought an odd number of bytes
220 into the file), or if the size of the read is not a multiple of 8 bytes.
221
222 Before Linux 3.11 pagemap bits 55-60 were used for "page-shift" (which is
223 always 12 at most architectures). Since Linux 3.11 their meaning changes
224 after first clear of soft-dirty bits. Since Linux 4.2 they are used for
225 flags unconditionally.
226
227 Pagemap Scan IOCTL
228 ==================
229
230 The ``PAGEMAP_SCAN`` IOCTL on the pagemap file can be used to get or optionally
231 clear the info about page table entries. The following operations are supported
232 in this IOCTL:
233
234 - Scan the address range and get the memory ranges matching the provided criteria.
235 This is performed when the output buffer is specified.
236 - Write-protect the pages. The ``PM_SCAN_WP_MATCHING`` is used to write-protect
237 the pages of interest. The ``PM_SCAN_CHECK_WPASYNC`` aborts the operation if
238 non-Async Write Protected pages are found. The ``PM_SCAN_WP_MATCHING`` can be
239 used with or without ``PM_SCAN_CHECK_WPASYNC``.
240 - Both of those operations can be combined into one atomic operation where we can
241 get and write protect the pages as well.
242
243 Following flags about pages are currently supported:
244
245 - ``PAGE_IS_WPALLOWED`` - Page has async-write-protection enabled
246 - ``PAGE_IS_WRITTEN`` - Page has been written to from the time it was write protected
247 - ``PAGE_IS_FILE`` - Page is file backed
248 - ``PAGE_IS_PRESENT`` - Page is present in the memory
249 - ``PAGE_IS_SWAPPED`` - Page is in swapped
250 - ``PAGE_IS_PFNZERO`` - Page has zero PFN
251 - ``PAGE_IS_HUGE`` - Page is PMD-mapped THP or Hugetlb backed
252 - ``PAGE_IS_SOFT_DIRTY`` - Page is soft-dirty
253 - ``PAGE_IS_GUARD`` - Page is a part of a guard region
254
255 The ``struct pm_scan_arg`` is used as the argument of the IOCTL.
256
257 1. The size of the ``struct pm_scan_arg`` must be specified in the ``size``
258 field. This field will be helpful in recognizing the structure if extensions
259 are done later.
260 2. The flags can be specified in the ``flags`` field. The ``PM_SCAN_WP_MATCHING``
261 and ``PM_SCAN_CHECK_WPASYNC`` are the only added flags at this time. The get
262 operation is optionally performed depending upon if the output buffer is
263 provided or not.
264 3. The range is specified through ``start`` and ``end``.
265 4. The walk can abort before visiting the complete range such as the user buffer
266 can get full etc. The walk ending address is specified in``end_walk``.
267 5. The output buffer of ``struct page_region`` array and size is specified in
268 ``vec`` and ``vec_len``.
269 6. The optional maximum requested pages are specified in the ``max_pages``.
270 7. The masks are specified in ``category_mask``, ``category_anyof_mask``,
271 ``category_inverted`` and ``return_mask``.
272
273 Find pages which have been written and WP them as well::
274
275 struct pm_scan_arg arg = {
276 .size = sizeof(arg),
277 .flags = PM_SCAN_CHECK_WPASYNC | PM_SCAN_CHECK_WPASYNC,
278 ..
279 .category_mask = PAGE_IS_WRITTEN,
280 .return_mask = PAGE_IS_WRITTEN,
281 };
282
283 Find pages which have been written, are file backed, not swapped and either
284 present or huge::
285
286 struct pm_scan_arg arg = {
287 .size = sizeof(arg),
288 .flags = 0,
289 ..
290 .category_mask = PAGE_IS_WRITTEN | PAGE_IS_SWAPPED,
291 .category_inverted = PAGE_IS_SWAPPED,
292 .category_anyof_mask = PAGE_IS_PRESENT | PAGE_IS_HUGE,
293 .return_mask = PAGE_IS_WRITTEN | PAGE_IS_SWAPPED |
294 PAGE_IS_PRESENT | PAGE_IS_HUGE,
295 };
296
297 The ``PAGE_IS_WRITTEN`` flag can be considered as a better-performing alternative
298 of soft-dirty flag. It doesn't get affected by VMA merging of the kernel and hence
299 the user can find the true soft-dirty pages in case of normal pages. (There may
300 still be extra dirty pages reported for THP or Hugetlb pages.)
301
302 "PAGE_IS_WRITTEN" category is used with uffd write protect-enabled ranges to
303 implement memory dirty tracking in userspace:
304
305 1. The userfaultfd file descriptor is created with ``userfaultfd`` syscall.
306 2. The ``UFFD_FEATURE_WP_UNPOPULATED`` and ``UFFD_FEATURE_WP_ASYNC`` features
307 are set by ``UFFDIO_API`` IOCTL.
308 3. The memory range is registered with ``UFFDIO_REGISTER_MODE_WP`` mode
309 through ``UFFDIO_REGISTER`` IOCTL.
310 4. Then any part of the registered memory or the whole memory region must
311 be write protected using ``PAGEMAP_SCAN`` IOCTL with flag ``PM_SCAN_WP_MATCHING``
312 or the ``UFFDIO_WRITEPROTECT`` IOCTL can be used. Both of these perform the
313 same operation. The former is better in terms of performance.
314 5. Now the ``PAGEMAP_SCAN`` IOCTL can be used to either just find pages which
315 have been written to since they were last marked and/or optionally write protect
316 the pages as well.
317

3. 한국어 전문 번역

영어 원문의 문단 순서와 의미를 유지한 전체 번역입니다. 코드, 함수명, symbol과 URL은 원문 표기를 유지합니다.

Process page table 관찰

1-8

pagemap은 Linux 2.6.25부터 제공되는 kernel interface 집합입니다. Userspace program이 `/proc` file을 읽어 page table과 관련 정보를 조사할 수 있게 합니다.

/proc/pid/pagemap

9-54
InterfaceRecord내용
/proc/pid/pagemapvirtual page별 64-bit 값mapping된 PFN, swap encoding과 PTE 상태
/proc/kpagecountPFN별 64-bit count각 physical page가 mapping된 횟수
/proc/kpageflagsPFN별 64-bit flag setpage 상태와 allocator·LRU 속성
/proc/kpagecgroupPFN별 64-bit inode numberpage가 charge된 memory cgroup, CONFIG_MEMCG 필요

`/proc/pid/pagemap`에는 virtual page마다 하나의 64-bit 값이 있으며, 해당 virtual page가 mapping된 physical frame과 swap·PTE 상태를 다음 bit layout으로 표현합니다. Kernel 구현은 `fs/proc/task_mmu.c`의 `pagemap_read` 위쪽에서 확인할 수 있습니다.

Bit의미
0-54present일 때 page frame number(PFN)
0-4swapped일 때 swap type
5-54swapped일 때 swap offset
55PTE가 soft-dirty, Documentation/admin-guide/mm/soft-dirty.rst 참조
56page가 exclusively mapped, Linux 4.2부터
57PTE가 uffd-wp write-protected, Linux 5.13부터; userfaultfd.rst 참조
58PTE가 guard region, Linux 6.15부터; madvise(2) 참조
59-600
61file-page 또는 shared-anon page, Linux 3.5부터
62page swapped
63page present

Linux 4.0부터 PFN은 `CAP_SYS_ADMIN` capability가 있는 사용자만 얻을 수 있습니다. Linux 4.0과 4.1에서는 unprivileged open이 `-EPERM`으로 실패하고, Linux 4.2부터는 `CAP_SYS_ADMIN`이 없을 때 PFN field를 0으로 만듭니다. PFN 정보가 Rowhammer vulnerability 악용에 도움을 줄 수 있기 때문입니다.

Page가 present하지 않고 swap에 있으면 PFN field에는 swap file number와 해당 file 안의 page offset이 encoding됩니다. Unmapped page는 null PFN을 반환하므로 mapping되었거나 swap에 있는 page를 정확히 판별하고 process 사이의 mapped page를 비교할 수 있습니다.

전통적으로 bit 56은 page가 정확히 한 번 mapping됐을 때 set되고, 같은 process 안에서 여러 번 mapping된 경우까지 포함해 mapping이 여러 개면 clear됩니다. 다만 THP 같은 larger allocation의 page는 kernel configuration에 따라 의미가 다릅니다. Allocation의 모든 page가 확실히 같은 process에 mapping됐다면 그 process 안에서 중복 mapping되어도 set될 수 있고, 어느 page든 다른 process에 mapping됐을 가능성이 있으면 clear됩니다. 실제로는 더 이상 공유되지 않더라도 보수적으로 여러 process에 mapping된 것으로 취급될 수 있습니다.

효율적으로 사용하려면 `/proc/pid/maps`에서 실제 mapped area를 찾고 `llseek`으로 unmapped region을 건너뜁니다.

/proc/kpagecount

55-66

`/proc/kpagecount`는 PFN으로 index된 page마다 64-bit mapping count를 제공합니다. 일부 kernel configuration은 THP 같은 larger allocation에 속한 개별 page의 정확한 mapping 횟수를 추적하지 않으며, 이때 allocation 전체의 page당 평균 mapping 수를 반환합니다. Large allocation의 어느 page든 mapping됐다면 반환 값은 최소 1입니다.

`tools/mm` directory의 `page-types` tool로 page mapping 횟수를 조회할 수 있습니다.

/proc/kpageflags와 kpagecgroup

67-103

`/proc/kpageflags`는 PFN으로 index된 각 page의 64-bit flag set을 제공합니다. Flag 정의는 `fs/proc/page.c`의 `kpageflags_read` 위쪽에 있습니다.

BitFlag
0LOCKED
1ERROR
2REFERENCED
3UPTODATE
4DIRTY
5LRU
6ACTIVE
7SLAB
8WRITEBACK
9RECLAIM
10BUDDY
11MMAP
12ANON
13SWAPCACHE
14SWAPBACKED
15COMPOUND_HEAD
16COMPOUND_TAIL
17HUGE
18UNEVICTABLE
19HWPOISON
20NOPAGE
21KSM
22THP
23OFFLINE
24ZERO_PAGE
25IDLE
26PGTABLE

`/proc/kpagecgroup`는 PFN으로 index된 각 page가 charge된 memory cgroup의 64-bit inode number를 제공합니다. `CONFIG_MEMCG`가 설정된 kernel에서만 사용할 수 있습니다.

Page flag 상세 설명

104-151
Flag설명
LOCKEDread/write I/O 등 exclusive access를 위해 lock된 page
SLABSLAB/SLUB kernel memory allocator가 관리하며 compound page에서는 head에만 설정
BUDDYbuddy allocator의 free block 첫 page에만 설정; order N은 2^N contiguous pages
COMPOUND_HEADorder N compound allocation의 head. Order 2는 HTTT이며 H가 head, T가 tail
COMPOUND_TAILcompound page의 tail
HUGEHugeTLB page의 구성 page
HWPOISONhardware가 memory corruption을 감지한 page
NOPAGE요청 address에 page frame이 없음
KSM하나 이상의 process 사이에 동적으로 공유되는 동일 memory page
THP임의 크기의 THP를 구성하며 임의 granularity로 mapping된 contiguous page
OFFLINE논리적으로 offline된 page
ZERO_PAGEpfn_zero의 zero page 또는 huge_zero page
IDLEidle 표시 뒤 접근되지 않은 page. PTE 접근 시 stale할 수 있어 bitmap을 먼저 읽어야 함
PGTABLEpage table로 사용 중인 page

`BUDDY`의 order N block은 물리적으로 연속된 `2^N` page이며 첫 page에만 flag가 설정됩니다. Order 2 compound page를 `HTTT`로 표현하면 H는 head, T는 tail입니다. Compound page의 주요 사용자는 HugeTLB page, SLUB 같은 memory allocator와 여러 device driver이지만 이 interface에서는 huge/giga page만 userspace에 보입니다.

`IDLE` flag는 PTE를 통한 접근이 있었을 때 stale할 수 있습니다. 최신 상태를 보장하려면 `/sys/kernel/mm/page_idle/bitmap`을 먼저 읽습니다.

I/O와 LRU 관련 flag

152-192
I/O flag설명
ERRORI/O error 발생
UPTODATE최신 data 보유; file-backed page라면 in-memory revision >= on-disk revision
DIRTYwrite되어 새 data 보유; file-backed page라면 in-memory revision > on-disk revision
WRITEBACKdisk로 sync 중
LRU flag설명
LRULRU list 중 하나에 속함
ACTIVEactive LRU list에 속함
UNEVICTABLEpin되어 reclaim 대상이 아닌 unevictable (non-)LRU page
REFERENCED마지막 LRU enqueue/requeue 뒤 reference됨
RECLAIMpageout I/O 완료 뒤 곧 reclaim될 page
MMAPmemory-mapped page
ANONfile 일부가 아닌 memory-mapped page
SWAPCACHEswap entry가 연결되어 swap space에 mapping됨
SWAPBACKEDswap/RAM으로 backing됨

`UNEVICTABLE`은 ramfs page, `shmctl(SHM_LOCK)`, `mlock()` memory segment처럼 pin되어 LRU reclaim 후보가 아닌 page입니다. `RECLAIM`은 pageout I/O가 끝난 뒤 곧 reclaim될 page를 나타냅니다.

`tools/mm/page-types`로 위 flag들을 조회할 수 있습니다.

Shared memory 예외

193-214

Shared page의 page table entry는 page가 zapped되거나 swap out될 때 clear됩니다. 따라서 swap out된 page와 한 번도 allocate되지 않은 page를 PTE만으로 구분할 수 없습니다.

Kernel space에서는 page cache에서 swap location을 복구할 수 있지만 `SOFT_DIRTY`처럼 normal PTE에만 저장된 값은 swap out 시 되돌릴 수 없게 사라집니다.

Userspace에서는 `lseek`과 `mincore` system call을 사용해 present, swapped, none 상태를 추론할 수 있습니다. Backing file에 `SEEK_DATA`를 지정한 `lseek()`은 accessed page(present 또는 swapped out)와 hole(none 또는 non-allocated)을 구분합니다. Anonymous shared page의 file은 `/proc/pid/map_files/`에서 찾을 수 있습니다.

`mincore()`는 memory 안의 page(present, swap cache 포함)와 memory 밖의 page(swapped out 또는 none/non-allocated)를 구분합니다.

정렬과 이전 bit 의미

215-226

어느 pagemap 관련 file이든 read 시작 offset이 8-byte boundary가 아니거나 read size가 8의 배수가 아니면 `-EINVAL`을 반환합니다.

Linux 3.11 이전에는 pagemap bit 55-60이 대부분 architecture에서 항상 12인 `page-shift`에 쓰였습니다. Linux 3.11부터 첫 soft-dirty bit clear 뒤 의미가 바뀌었고, Linux 4.2부터는 조건 없이 flag로 사용합니다.

PAGEMAP_SCAN IOCTL

227-254

pagemap file의 `PAGEMAP_SCAN` IOCTL은 page table entry 정보를 얻고 선택적으로 clear하는 데 사용합니다. Output buffer가 있으면 address range를 scan해 기준에 맞는 memory range를 반환합니다.

`PM_SCAN_WP_MATCHING`은 관심 page를 write-protect합니다. `PM_SCAN_CHECK_WPASYNC`는 async write-protected가 아닌 page를 만나면 operation을 중단합니다. 두 flag는 함께 또는 `PM_SCAN_WP_MATCHING`만 사용할 수 있으며, range 조회와 write protection을 하나의 atomic operation으로 결합할 수도 있습니다.

Category의미
PAGE_IS_WPALLOWEDasync write protection이 enabled
PAGE_IS_WRITTENwrite-protect된 뒤 write됨
PAGE_IS_FILEfile-backed page
PAGE_IS_PRESENTmemory에 present
PAGE_IS_SWAPPEDswap에 있음
PAGE_IS_PFNZEROPFN이 0
PAGE_IS_HUGEPMD-mapped THP 또는 Hugetlb-backed page
PAGE_IS_SOFT_DIRTYsoft-dirty page
PAGE_IS_GUARDguard region의 일부

struct pm_scan_arg

255-272

`struct pm_scan_arg`가 IOCTL argument로 사용됩니다.

Field의미
sizestruct pm_scan_arg 크기; 향후 extension 식별에 사용
flags현재 PM_SCAN_WP_MATCHING, PM_SCAN_CHECK_WPASYNC; output buffer 유무에 따라 get 선택
start, endscan address range
end_walkuser buffer full 등으로 range 전체 방문 전에 중단됐을 때 walk 종료 address
vec, vec_lenstruct page_region output array와 크기
max_pages선택적 최대 요청 page 수
category_mask, category_anyof_mask, category_inverted, return_maskmatch 조건과 반환 category mask

Walk는 user buffer가 가득 차는 등의 이유로 전체 range를 방문하기 전에 끝날 수 있으며, 실제 종료 address는 `end_walk`에 기록됩니다. `category_mask`는 모두 일치해야 할 category, `category_anyof_mask`는 하나 이상 일치할 category, `category_inverted`는 반전 조건, `return_mask`는 userspace로 돌려줄 category를 정합니다.

PAGEMAP_SCAN 예제

273-300

다음은 write된 page를 찾고 동시에 write-protect하는 원문 예제입니다.

struct pm_scan_arg arg = {
.size = sizeof(arg),
.flags = PM_SCAN_CHECK_WPASYNC | PM_SCAN_CHECK_WPASYNC,
..
.category_mask = PAGE_IS_WRITTEN,
.return_mask = PAGE_IS_WRITTEN,
};

첫 예제의 `.flags = PM_SCAN_CHECK_WPASYNC | PM_SCAN_CHECK_WPASYNC` 중복은 Linux v6.18.37 원문을 그대로 보존한 것입니다.

다음은 write됐고 file-backed이며 swapped되지 않았고 present 또는 huge인 page를 찾는 예제입니다.

struct pm_scan_arg arg = {
.size = sizeof(arg),
.flags = 0,
..
.category_mask = PAGE_IS_WRITTEN | PAGE_IS_SWAPPED,
.category_inverted = PAGE_IS_SWAPPED,
.category_anyof_mask = PAGE_IS_PRESENT | PAGE_IS_HUGE,
.return_mask = PAGE_IS_WRITTEN | PAGE_IS_SWAPPED |
PAGE_IS_PRESENT | PAGE_IS_HUGE,
};

`PAGE_IS_WRITTEN`은 soft-dirty flag보다 성능이 좋은 대안으로 볼 수 있습니다. Kernel의 VMA merging 영향을 받지 않아 normal page의 실제 soft-dirty page를 찾을 수 있습니다. 다만 THP 또는 Hugetlb page에서는 추가 dirty page가 보고될 수 있습니다.

Userspace dirty tracking workflow

301-316

`PAGE_IS_WRITTEN` category는 userfaultfd write-protect-enabled range와 함께 userspace memory dirty tracking을 구현하는 데 사용합니다.

단계작업
1userfaultfd syscall로 userfaultfd file descriptor 생성
2UFFDIO_API IOCTL로 UFFD_FEATURE_WP_UNPOPULATED와 UFFD_FEATURE_WP_ASYNC 설정
3UFFDIO_REGISTER IOCTL과 UFFDIO_REGISTER_MODE_WP로 memory range 등록
4PM_SCAN_WP_MATCHING PAGEMAP_SCAN 또는 UFFDIO_WRITEPROTECT로 range write-protect
5PAGEMAP_SCAN으로 마지막 mark 뒤 write된 page를 찾고 선택적으로 다시 write-protect

`PAGEMAP_SCAN`의 `PM_SCAN_WP_MATCHING`과 `UFFDIO_WRITEPROTECT`는 같은 write-protect operation을 수행하지만 전자가 성능 면에서 더 좋습니다. 이후 `PAGEMAP_SCAN`으로 마지막 표시 뒤 write된 page만 찾거나, 찾는 동시에 다시 write-protect할 수 있습니다.