操作系统-用户态内存映射（上）

Posted 2021-04-19 技术小咖

通过前面的章节，我们既了解了虚拟内存空间是如何组织的，也了解了物理页面是如何管理的。现在我们需要一些数据结构，将二者关联起来。

mmap的原理

struct mm_struct { struct vm_area_struct *mmap; /* list of VMAs */......}
struct vm_area_struct { /* * For areas with an address space and backing store, * linkage into the address_space->i_mmap interval tree. */ struct { struct rb_node rb; unsigned long rb_subtree_last; } shared; /* * A file's MAP_PRIVATE vma can be in both i_mmap tree and anon_vma * list, after a COW of one of the file pages. A MAP_SHARED vma * can only be in the i_mmap tree. An anonymous MAP_PRIVATE, stack * or brk vma (with NULL file) can only be in an anon_vma list. */ struct list_head anon_vma_chain; /* Serialized by mmap_sem & * page_table_lock */ struct anon_vma *anon_vma; /* Serialized by page_table_lock */
 /* Function pointers to deal with this struct. */ const struct vm_operations_struct *vm_ops; /* Information about our backing store: */ unsigned long vm_pgoff; /* Offset (within vm_file) in PAGE_SIZE units */ struct file * vm_file; /* File we map to (can be NULL). */ void * vm_private_data; /* was vm_pte (shared mem) */

其实内存映射不仅仅是物理内存和虚拟内存之间的映射，还包括将文件中的内容映射到虚拟内存空间。这个时候，访问内存空间就能够直接访问到文件里面的数据。如下图所示：

在申请堆内存的时候，如果我们要申请小块内存，就用 brk。如果申请一大块内存，就要用 mmap。对于堆的申请来讲，mmap 是映射内存空间到物理内存。

如果一个进程想映射一个文件到自己的虚拟内存空间，也要通过 mmap 系统调用。这个时候 mmap 是映射内存空间到物理内存再到文件。可见 mmap 这个系统调用是核心，我们现在来看 mmap 这个系统调用。

SYSCALL_DEFINE6(mmap, unsigned long, addr, unsigned long, len, unsigned long, prot, unsigned long, flags, unsigned long, fd, unsigned long, off){...... error = sys_mmap_pgoff(addr, len, prot, flags, fd, off >> PAGE_SHIFT);......}
SYSCALL_DEFINE6(mmap_pgoff, unsigned long, addr, unsigned long, len, unsigned long, prot, unsigned long, flags, unsigned long, fd, unsigned long, pgoff){ struct file *file = NULL;...... file = fget(fd);...... retval = vm_mmap_pgoff(file, addr, len, prot, flags, pgoff); return retval;}

如果要映射到文件，fd 会传进来一个文件描述符，并且 mmap_pgoff 里面通过 fget 函数，根据文件描述符获得 struct file。struct file 表示打开的一个文件。

接下来的调用链是 vm_mmap_pgoff->do_mmap_pgoff->do_mmap。这里面主要干了两件事情：

• 调用 get_unmapped_area 找到一个没有映射的区域；

• 调用 mmap_region 映射这个区域。

我们先来看 get_unmapped_area 函数。

unsigned longget_unmapped_area(struct file *file, unsigned long addr, unsigned long len, unsigned long pgoff, unsigned long flags){ unsigned long (*get_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);...... get_area = current->mm->get_unmapped_area; if (file) { if (file->f_op->get_unmapped_area) get_area = file->f_op->get_unmapped_area; } ......}

这里面如果是匿名映射，则调用 mm_struct 里面的 get_unmapped_area 函数。这个函数其实是 arch_get_unmapped_area。它会调用 find_vma_prev，在表示虚拟内存区域的 vm_area_struct 红黑树上找到相应的位置。之所以叫 prev，是说这个时候虚拟内存区域还没有建立，找到前一个 vm_area_struct。

如果不是匿名映射，而是映射到一个文件，这样在 Linux 里面，每个打开的文件都有一个 struct file 结构，里面有一个 file_operations，用来表示和这个文件相关的操作。

我们再来看 mmap_region，看它如何映射这个虚拟内存区域。

unsigned long mmap_region(struct file *file, unsigned long addr, unsigned long len, vm_flags_t vm_flags, unsigned long pgoff, struct list_head *uf){ struct mm_struct *mm = current->mm; struct vm_area_struct *vma, *prev; struct rb_node **rb_link, *rb_parent; /* * Can we just expand an old mapping? */ vma = vma_merge(mm, prev, addr, addr + len, vm_flags, NULL, file, pgoff, NULL, NULL_VM_UFFD_CTX); if (vma) goto out; /* * Determine the object being mapped and call the appropriate * specific mapper. the address has already been validated, but * not unmapped, but the maps are removed from the list. */ vma = kmem_cache_zalloc(vm_area_cachep, GFP_KERNEL); if (!vma) { error = -ENOMEM; goto unacct_error; }
 vma->vm_mm = mm; vma->vm_start = addr; vma->vm_end = addr + len; vma->vm_flags = vm_flags; vma->vm_page_prot = vm_get_page_prot(vm_flags); vma->vm_pgoff = pgoff; INIT_LIST_HEAD(&vma->anon_vma_chain);
 if (file) { vma->vm_file = get_file(file); error = call_mmap(file, vma); addr = vma->vm_start; vm_flags = vma->vm_flags; } ...... vma_link(mm, vma, prev, rb_link, rb_parent); return addr;.....

还记得咱们刚找到了虚拟内存区域的前一个 vm_area_struct，我们首先要看，是否能够基于它进行扩展，也即调用 vma_merge，和前一个 vm_area_struct 合并到一起。

如果不能，就需要调用 kmem_cache_zalloc，在 Slub 里面创建一个新的 vm_area_struct 对象，设置起始和结束位置，将它加入队列。如果是映射到文件，则设置 vm_file 为目标文件，调用 call_mmap。其实就是调用 file_operations 的 mmap 函数。对于 ext4 文件系统，调用的是 ext4_file_mmap。从这个函数的参数可以看出，这一刻文件和内存开始发生关系了。这里我们将 vm_area_struct 的内存操作设置为文件系统操作，也就是说，读写内存其实就是读写文件系统。

static inline int call_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma){ return file->f_op->mmap(file, vma);}
static int ext4_file_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma){...... vma->vm_ops = &ext4_file_vm_ops;......}

我们再回到 mmap_region 函数。最终，vma_link 函数将新创建的 vm_area_struct 挂在了 mm_struct 里面的红黑树上。

这个时候，从内存到文件的映射关系，至少要在逻辑层面建立起来。那从文件到内存的映射关系呢？vma_link 还做了另外一件事情，就是 __vma_link_file。这个东西要用于建立这层映射关系。

对于打开的文件，会有一个结构 struct file 来表示。它有个成员指向 struct address_space 结构，这里面有棵变量名为 i_mmap 的红黑树，vm_area_struct 就挂在这棵树上。

struct address_space { struct inode *host; /* owner: inode, block_device */...... struct rb_root i_mmap; /* tree of private and shared mappings */...... const struct address_space_operations *a_ops; /* methods */......}
static void __vma_link_file(struct vm_area_struct *vma){ struct file *file;
 file = vma->vm_file; if (file) { struct address_space *mapping = file->f_mapping; vma_interval_tree_insert(vma, &mapping->i_mmap); }