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?

Python代码阅读(第26篇):将列表映射成字典

片段着色器中的球面映射

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

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