故事的開始是這樣的，某天在脈脈上看到有人發(fā)了下面的帖子：

　　想不到 mmap 都成了黑科技了,，為了讓大家都能了解這個(gè)黑科技,，所以還是寫篇文章來(lái)詳細(xì)介紹一下 mmap 的實(shí)現(xiàn)吧,。

　　其實(shí),，源碼分析是比較難寫的,，主要有兩個(gè)原因：

　　一方面是源碼實(shí)現(xiàn)一般會(huì)涉及多個(gè)知識(shí)點(diǎn),，所以在分析源碼時(shí)需要穿插多個(gè)知識(shí)點(diǎn),，從而增加分析的難度,。另一方面是源碼實(shí)現(xiàn)會(huì)處理很多細(xì)節(jié)問(wèn)題,，這些細(xì)節(jié)問(wèn)題雖然不是設(shè)計(jì)的主要框架，但忽略了有時(shí)會(huì)讓人摸不著頭腦,。

　　所以,，為了降低分析的難度和讓讀者能夠更容易看懂，在分析源碼時(shí)更注重知識(shí)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn),，而在不影響理解的情況下,，我會(huì)忽略一些細(xì)節(jié)問(wèn)題。而對(duì)于穿插其他知識(shí)點(diǎn)的時(shí)候,，會(huì)先跳過(guò)其實(shí)現(xiàn),，并且在后續(xù)的文章對(duì)其進(jìn)行分析。

　　mmap 原理

　　在之前的文章中,，我們也介紹過(guò) mmap 的原理,，比如這篇：《原來(lái) mmap 這么簡(jiǎn)單》。當(dāng)然這篇文章只是簡(jiǎn)單介紹了 mmap 的原理,，但是 mmap 的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)不止那么簡(jiǎn)單,，這是因?yàn)?mmap 涉及多個(gè)子系統(tǒng)，如：內(nèi)存管理,、文件系統(tǒng),、中斷處理等。

　　好消息是，這幾個(gè)子系統(tǒng)我們都有對(duì)應(yīng)的文章介紹過(guò)：

　　內(nèi)存管理：《Linux虛擬內(nèi)存空間管理》
       文件系統(tǒng)：《 什么是頁(yè)緩存》
       中斷處理：《Linux中斷處理》

　　在閱讀本文前,，最好復(fù)習(xí)一下上面的文章,。

　　雖然在《原來(lái) mmap 這么簡(jiǎn)單》一文中，我們簡(jiǎn)單介紹過(guò) mmap 的原理,。但為了方便分析源碼,，下面還是簡(jiǎn)單回顧一下 mmap 的原理吧。

　　mmap 的全稱是 memory map,，中文意思是 內(nèi)存映射,。其用途是將文件映射到內(nèi)存中，然后可以通過(guò)對(duì)映射區(qū)的內(nèi)存進(jìn)行讀寫操作,，其效果等同于對(duì)文件進(jìn)行讀寫操作,。

　　下面我們通過(guò)一幅圖來(lái)對(duì) mmap 的原理進(jìn)行闡述：

　　從上圖可以看出，mmap 的原理就是將虛擬內(nèi)存空間映射到文件的頁(yè)緩存,，在《什么是頁(yè)緩存》一文中可知,，對(duì)文件進(jìn)行讀寫時(shí)需要經(jīng)過(guò)頁(yè)緩存進(jìn)行中轉(zhuǎn)的。所以當(dāng)虛擬內(nèi)存地址映射到文件的頁(yè)緩存后,，就可以直接通過(guò)讀寫映射區(qū)內(nèi)存來(lái)對(duì)文件進(jìn)行讀寫操作,。

　　mmap 實(shí)現(xiàn)

　　在分析 mmap 的實(shí)現(xiàn)前，最好先了解其使用方式,，mmap 的使用可以參考《原來(lái) mmap 這么簡(jiǎn)單》這篇文章,。

　　1. 文件映射

　　當(dāng)我們使用 mmap() 系統(tǒng)調(diào)用對(duì)文件進(jìn)行映射時(shí)，將會(huì)觸發(fā)調(diào)用 do_mmap_pgoff() 內(nèi)核函數(shù)來(lái)完成工作,，我們來(lái)看看 do_mmap_pgoff() 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)（經(jīng)過(guò)精簡(jiǎn)后）：

　　unsigned long

　　do_mmap_pgoff(struct file *file, unsigned long addr,

　　unsigned long len, unsigned long prot,

　　unsigned long flags, unsigned long pgoff)

　　{

　　...

　　// 1. 獲取一個(gè)未被使用的虛擬內(nèi)存區(qū)

　　addr = get_unmapped_area(file, addr, len, pgoff, flags);

　　if (addr & ~PAGE_MASK)

　　return addr;

　　...

　　// 2. 調(diào)用 mmap_region() 函數(shù)繼續(xù)進(jìn)行映射操作

　　return mmap_region(file, addr, len, flags, vm_flags, pgoff, accountable);

　　}

　　經(jīng)過(guò)精簡(jiǎn)后的 do_mmap_pgoff() 函數(shù)主要完成 2 個(gè)工作：

　　首先,，調(diào)用 get_unmapped_area() 函數(shù)來(lái)獲取進(jìn)程沒(méi)被使用的虛擬內(nèi)存區(qū)，并且返回此內(nèi)存區(qū)的首地址,。然后,，調(diào)用 mmap_region() 函數(shù)繼續(xù)進(jìn)行映射操作。

　　在 32 位的操作系統(tǒng)中,，每個(gè)進(jìn)程都有 4GB 的虛擬內(nèi)存空間,，應(yīng)用程序在使用內(nèi)存前，需要先向操作系統(tǒng)發(fā)起申請(qǐng)內(nèi)存的操作,。操作系統(tǒng)會(huì)從進(jìn)程的虛擬內(nèi)存空間中查找未被使用的內(nèi)存地址,，并且返回給應(yīng)用程序。

　　操作系統(tǒng)會(huì)記錄進(jìn)程正在使用中的虛擬內(nèi)存地址,，如果內(nèi)存地址沒(méi)被登記,，說(shuō)明此內(nèi)存地址是空閑的（未被使用）。

　　我們繼續(xù)來(lái)看看 mmap_region() 函數(shù)的實(shí)現(xiàn),，代碼如下（經(jīng)過(guò)精簡(jiǎn)后）：

　　unsigned long

　　mmap_region(struct file *file, unsigned long addr,

　　unsigned long len, unsigned long flags,

　　unsigned int vm_flags, unsigned long pgoff,

　　int accountable)

　　{

　　struct mm_struct *mm = current->mm;

　　struct vm_area_struct *vma, *prev;

　　int correct_wcount = 0;

　　int error;

　　...

　　// 1. 申請(qǐng)一個(gè)虛擬內(nèi)存區(qū)管理結(jié)構(gòu)(vma)

　　vma = kmem_cache_zalloc(vm_area_cachep, GFP_KERNEL);

　　...

　　// 2. 設(shè)置vma結(jié)構(gòu)各個(gè)字段的值

　　vma->vm_mm = mm;

　　vma->vm_start = addr;

　　vma->vm_end = addr + len;

　　vma->vm_flags = vm_flags;

　　vma->vm_page_prot = protection_map[vm_flags & (VM_READ|VM_WRITE|VM_EXEC|VM_SHARED)];

　　vma->vm_pgoff = pgoff;

　　if (file) {

　　...

　　vma->vm_file = file;

　　/* 3. 此處是內(nèi)存映射的關(guān)鍵點(diǎn),，調(diào)用文件對(duì)象的 mmap() 回調(diào)函數(shù)來(lái)設(shè)置vma結(jié)構(gòu)的 fault() 回調(diào)函數(shù),。

　　*    vma對(duì)象的 fault() 回調(diào)函數(shù)的作用是：

　　*        - 當(dāng)訪問(wèn)的虛擬內(nèi)存沒(méi)有映射到物理內(nèi)存時(shí)，

　　*        - 將會(huì)調(diào)用 fault() 回調(diào)函數(shù)對(duì)虛擬內(nèi)存地址映射到物理內(nèi)存地址,。

　　*/

　　error = file->f_op->mmap(file, vma);

　　...

　　}

　　...

　　// 4. 把 vma 結(jié)構(gòu)連接到進(jìn)程虛擬內(nèi)存區(qū)的鏈表和紅黑樹中,。

　　vma_link(mm, vma, prev, rb_link, rb_parent);

　　...

　　return addr;

　　}

　　mmap_region() 函數(shù)主要完成以下 4 件事情：

　　申請(qǐng)一個(gè) vm_area_struct 結(jié)構(gòu)（vma），內(nèi)核使用 vma 來(lái)管理進(jìn)程的虛擬內(nèi)存地址,，關(guān)于 vma 的詳細(xì)介紹可以參考：《Linux虛擬內(nèi)存空間管理》,。設(shè)置 vma 結(jié)構(gòu)各個(gè)字段的值。通過(guò)調(diào)用文件對(duì)象的 mmap() 回調(diào)函數(shù)來(lái)設(shè)置vma結(jié)構(gòu)的 fault() 回調(diào)函數(shù),，一般文件對(duì)象的 mmap() 回調(diào)函數(shù)為：generic_file_mmap(),。把新創(chuàng)建的 vma 結(jié)構(gòu)連接到進(jìn)程的虛擬內(nèi)存區(qū)鏈表和紅黑樹中。

　　內(nèi)核使用 vm_area_struct 結(jié)構(gòu)來(lái)管理進(jìn)程的虛擬內(nèi)存地址,。當(dāng)進(jìn)程需要使用內(nèi)存時(shí),，首先要向操作系統(tǒng)進(jìn)行申請(qǐng)，操作系統(tǒng)會(huì)使用 vm_area_struct 結(jié)構(gòu)來(lái)記錄被分配出去的內(nèi)存區(qū)的大小,、起始地址和權(quán)限等,。

　　我們來(lái)看看 vm_area_struct 結(jié)構(gòu)的定義：

　　struct vm_area_struct {

　　struct mm_struct *vm_mm;

　　unsigned long vm_start;              // 內(nèi)存區(qū)的開始地址

　　unsigned long vm_end;                // 內(nèi)存區(qū)的結(jié)束地址

　　struct vm_area_struct *vm_next;      // 把進(jìn)程所有已分配的內(nèi)存區(qū)鏈接起來(lái)

　　pgprot_t vm_page_prot;               // 內(nèi)存區(qū)的權(quán)限

　　...

　　struct rb_node vm_rb;                // 為了加快查找內(nèi)存區(qū)而建立的紅黑樹

　　...

　　struct vm_operations_struct *vm_ops; // 內(nèi)存區(qū)的操作回調(diào)函數(shù)集

　　unsigned long vm_pgoff;

　　struct file *vm_file;                // 如果映射到文件，將指向映射的文件對(duì)象

　　...

　　};

　　struct vm_operations_struct {

　　// 當(dāng)虛擬內(nèi)存區(qū)沒(méi)有映射到物理內(nèi)存地址時(shí),，將會(huì)觸發(fā)缺頁(yè)異常，

　　// 而在缺頁(yè)異常處理函數(shù)中,，將會(huì)調(diào)用此回調(diào)函數(shù)來(lái)對(duì)虛擬內(nèi)存映射到物理內(nèi)存,。

　　int (*fault)(struct vm_area_struct *vma, struct vm_fault *vmf);

　　...

　　};

　　當(dāng)把文件映射到虛擬內(nèi)存空間時(shí)，需要把 vma 結(jié)構(gòu)的 vm_file 字段設(shè)置為要映射的文件對(duì)象,，然后調(diào)用文件對(duì)象的 mmap() 回調(diào)函數(shù)來(lái)設(shè)置 vma 結(jié)構(gòu)的 fault() 回調(diào)函數(shù),。

　　vma 結(jié)構(gòu)的 fault() 回調(diào)函數(shù)的作用是：當(dāng)虛擬內(nèi)存區(qū)沒(méi)有映射到物理內(nèi)存地址時(shí)，將會(huì)觸發(fā)缺頁(yè)異常,。而在缺頁(yè)異常處理中,，將會(huì)調(diào)用此回調(diào)函數(shù)來(lái)對(duì)虛擬內(nèi)存映射到物理內(nèi)存。

　　我們來(lái)看看 generic_file_mmap() 函數(shù)是怎么設(shè)置 vma 結(jié)構(gòu)的 fault() 回調(diào)函數(shù)的：

　　struct vm_operations_struct generic_file_vm_ops = {

　　.fault = filemap_fault, // 將 fault() 回調(diào)函數(shù)設(shè)置為：filemap_fault()

　　};

　　int generic_file_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)

　　{

　　...

　　vma->vm_ops = &generic_file_vm_ops;

　　...

　　return 0;

　　}

　　至此,，文件映射的過(guò)程已經(jīng)分析完畢,。我們來(lái)看看其調(diào)用鏈：

　　sys_mmap()

　　└→ do_mmap_pgoff()

　　└→ mmap_region()

　　└→ generic_file_mmap()

　　2. 缺頁(yè)異常

　　前面介紹了 mmap() 系統(tǒng)調(diào)用的處理過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn) mmap() 只是將 vma 的 vm_file 字段設(shè)置為被映射的文件對(duì)象,，并且將 vma 的 fault() 回調(diào)函數(shù)設(shè)置為 filemap_fault(),。也就是說(shuō)，mmap() 系統(tǒng)調(diào)用并沒(méi)有對(duì)虛擬內(nèi)存進(jìn)行任何的映射操作,。

　　我們?cè)凇堵嫿庹f(shuō) “內(nèi)存映射”》一文中介紹過(guò),，虛擬內(nèi)存必須映射到物理內(nèi)存才能使用。如果訪問(wèn)沒(méi)有映射到物理內(nèi)存的虛擬內(nèi)存地址,，CPU 將會(huì)觸發(fā)缺頁(yè)異常,。也就是說(shuō),，虛擬內(nèi)存并不能直接映射到磁盤中的文件。

　　那么 mmap() 是怎么將文件映射到虛擬內(nèi)存中呢,？我們?cè)凇?什么是頁(yè)緩存》一文中介紹過(guò),，讀寫文件時(shí)并不是直接對(duì)磁盤上的文件進(jìn)行操作的，而是通過(guò) 頁(yè)緩存 作為中轉(zhuǎn)的,，而頁(yè)緩存就是物理內(nèi)存中的內(nèi)存頁(yè),。所以，mmap() 可以通過(guò)將文件的頁(yè)緩存映射到虛擬內(nèi)存空間來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)文件的映射,。

　　但我們?cè)?mmap() 系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)中,，也沒(méi)看到將文件頁(yè)緩存映射到虛擬內(nèi)存空間。那么映射過(guò)程是在什么時(shí)候發(fā)生的呢,？

　　答案就是：缺頁(yè)異常,。

　　由于 mmap() 系統(tǒng)調(diào)用并沒(méi)有直接將文件的頁(yè)緩存映射到虛擬內(nèi)存中，所以當(dāng)訪問(wèn)到?jīng)]有映射的虛擬內(nèi)存地址時(shí),，將會(huì)觸發(fā) 缺頁(yè)異常,。當(dāng) CPU 觸發(fā)缺頁(yè)異常時(shí)，將會(huì)調(diào)用 do_page_fault() 函數(shù)來(lái)修復(fù)觸發(fā)異常的虛擬內(nèi)存地址,。

　　我們主要來(lái)看看 do_page_fault() 函數(shù)對(duì)文件映射的實(shí)現(xiàn)部分,，其調(diào)用鏈如下：

　　do_page_fault()

　　└→ handle_mm_fault()

　　└→ handle_pte_fault()

　　└→ do_linear_fault()

　　└→ __do_fault()

　　所以我們直接來(lái)看看 __do_fault() 函數(shù)的實(shí)現(xiàn)：

　　static int

　　__do_fault(struct mm_struct *mm, struct vm_area_struct *vma,

　　unsigned long address, pmd_t *pmd, pgoff_t pgoff,

　　unsigned int flags, pte_t orig_pte)

　　{

　　...

　　vmf.virtual_address = address & PAGE_MASK; // 要映射的虛擬內(nèi)存地址

　　vmf.pgoff = pgoff;                         // 映射到文件的偏移量

　　vmf.flags = flags;                         // 標(biāo)志位

　　vmf.page = NULL;                           // 映射到虛擬內(nèi)存中的物理內(nèi)存頁(yè)

　　// 1. 如果虛擬內(nèi)存管理區(qū)提供了 falut() 回調(diào)函數(shù)，那么將調(diào)用此函數(shù)來(lái)獲取要映射的物理內(nèi)存頁(yè),，

　　//    我們?cè)?mmap() 系統(tǒng)調(diào)用的實(shí)現(xiàn)中看到,，已經(jīng)將其設(shè)置為 filemap_fault() 函數(shù)了。

　　if (likely(vma->vm_ops->fault)) {

　　ret = vma->vm_ops->fault(vma, &vmf);

　　...

　　}

　　...

　　if (likely(pte_same(*page_table, orig_pte))) {

　　...

　　// 2. 通過(guò)物理內(nèi)存頁(yè)生成一個(gè)頁(yè)表項(xiàng)值（可以參考內(nèi)存映射一文）

　　entry = mk_pte(page, vma->vm_page_prot);

　　if (flags & FAULT_FLAG_WRITE)

　　entry = maybe_mkwrite(pte_mkdirty(entry), vma);

　　// 3. 將虛擬內(nèi)存地址映射到物理內(nèi)存（也就是將進(jìn)程的頁(yè)表項(xiàng)設(shè)置為剛生成的頁(yè)表項(xiàng)的值）

　　set_pte_at(mm, address, page_table, entry);

　　...

　　}

　　...

　　return ret;

　　}

　　__do_fault() 函數(shù)對(duì)處理文件映射部分主要分為 3 個(gè)步驟：

　　調(diào)用虛擬內(nèi)存管理區(qū)結(jié)構(gòu)（vma）的 fault() 回調(diào)函數(shù)（也就是 filemap_fault() 函數(shù)）來(lái)獲取到文件的頁(yè)緩存,。通過(guò)頁(yè)緩存的物理內(nèi)存頁(yè)來(lái)生成一個(gè)頁(yè)表項(xiàng)值,，可以參考《漫畫解說(shuō) “內(nèi)存映射”》一文。將虛擬內(nèi)存地址映射到頁(yè)緩存的物理內(nèi)存頁(yè)（也就是將進(jìn)程的頁(yè)表項(xiàng)設(shè)置為上面生成的頁(yè)表項(xiàng)的值）,。

　　對(duì)于 filemap_fault() 函數(shù)是怎樣讀取文件頁(yè)緩存的,，本文不作解釋，有興趣的可以自行閱讀源碼,。

　　最后,，我們以一幅圖來(lái)描述一下虛擬內(nèi)存是如何與文件進(jìn)行映射的：

　　從上圖可以看出，mmap() 是通過(guò)將虛擬內(nèi)存地址映射到文件的頁(yè)緩存來(lái)實(shí)現(xiàn)的,。當(dāng)對(duì)映射后的虛擬內(nèi)存進(jìn)行讀寫操作時(shí),，其效果等價(jià)于直接對(duì)文件的頁(yè)緩存進(jìn)行讀寫操作。對(duì)文件的頁(yè)緩存進(jìn)行讀寫操作,，也等價(jià)于對(duì)文件進(jìn)行讀寫操作,。

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