内存映射
Posted jingmojing
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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了内存映射相关的知识,希望对你有一定的参考价值。
mmap 的原理
每一个进程都有一个列表 vm_area_struct,指向虚拟地址空间的不同的内存块,这个变量的名字叫 mmap。
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访问到文件里面的数据。而仅有物理内存和虚拟内存的映射,是一种特殊情况。
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) */ } 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; } unsigned long get_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; } ...... }
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。
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。如果是我们熟知的 ext4 文件系统,调用的是 thp_get_unmapped_area。如果我们仔细看这个函数,最终还是调用 mm_struct 里面的 get_unmapped_area 函数,殊途同归。
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; } ...... // 将新创建的 vm_area_struct 挂在了 mm_struct 里面的红黑树上 vma_link(mm, vma, prev, rb_link, rb_parent); return addr; ..... } 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); }
之前找到了虚拟内存区域的前一个 vm_area_struct,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。
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。
以上是关于内存映射的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章
如何使用模块化代码片段中的LeakCanary检测内存泄漏?
Linux 内核 内存管理内存管理系统调用 ④ ( 代码示例 | mmap 创建内存映射 | munmap 删除内存映射 )
java内存流:java.io.ByteArrayInputStreamjava.io.ByteArrayOutputStreamjava.io.CharArrayReaderjava.io(代码片段