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Linux教学——mmap实现详解

2022-09-29
作者:songsong001
来源:一口Linux
关键词: Linux mmap 中断处理

  故事的开始是这样的,某天在脉脉上看到有人发了下面的帖子:

微信截图_20220929173630.png

  想不到mmap都成了黑科技了,为了让大家都能了解这个黑科技,所以还是写篇文章来详细介绍一下 mmap 的实现吧。

  其实,源码分析是比较难写的,主要有两个原因:

  一方面是源码实现一般会涉及多个知识点,所以在分析源码时需要穿插多个知识点,从而增加分析的难度。另一方面是源码实现会处理很多细节问题,这些细节问题虽然不是设计的主要框架,但忽略了有时会让人摸不着头脑。

  所以,为了降低分析的难度和让读者能够更容易看懂,在分析源码时更注重知识点的实现,而在不影响理解的情况下,我会忽略一些细节问题。而对于穿插其他知识点的时候,会先跳过其实现,并且在后续的文章对其进行分析。

 mmap 原理

  在之前的文章中,我们也介绍过 mmap 的原理,比如这篇:《原来 mmap 这么简单》。当然这篇文章只是简单介绍了 mmap 的原理,但是 mmap 的实现远不止那么简单,这是因为 mmap 涉及多个子系统,如:内存管理、文件系统、中断处理等。

  好消息是,这几个子系统我们都有对应的文章介绍过:

  内存管理:Linux虚拟内存空间管理》
文件系统:《 什么是页缓存》
中断处理:《Linux中断处理》

  在阅读本文前,最好复习一下上面的文章。

  虽然在《原来 mmap 这么简单》一文中,我们简单介绍过 mmap 的原理。但为了方便分析源码,下面还是简单回顾一下 mmap 的原理吧。

  mmap 的全称是 memory map,中文意思是 内存映射。其用途是将文件映射到内存中,然后可以通过对映射区的内存进行读写操作,其效果等同于对文件进行读写操作。

  下面我们通过一幅图来对 mmap 的原理进行阐述:

微信截图_20220929173816.png

  从上图可以看出,mmap 的原理就是将虚拟内存空间映射到文件的页缓存,在《什么是页缓存》一文中可知,对文件进行读写时需要经过页缓存进行中转的。所以当虚拟内存地址映射到文件的页缓存后,就可以直接通过读写映射区内存来对文件进行读写操作。

mmap 实现

  在分析 mmap 的实现前,最好先了解其使用方式,mmap 的使用可以参考《原来 mmap 这么简单》这篇文章。

 1. 文件映射

  当我们使用 mmap() 系统调用对文件进行映射时,将会触发调用 do_mmap_pgoff() 内核函数来完成工作,我们来看看 do_mmap_pgoff() 函数的实现(经过精简后):

  unsigned long

  do_mmap_pgoff(struct file *file, unsigned long addr,

  unsigned long len, unsigned long prot,

  unsigned long flags, unsigned long pgoff)

  {

  ...

  // 1. 获取一个未被使用的虚拟内存区

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

  if (addr & ~PAGE_MASK)

  return addr;

  ...

  // 2. 调用 mmap_region() 函数继续进行映射操作

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

  }

  经过精简后的 do_mmap_pgoff() 函数主要完成 2 个工作:

  首先,调用 get_unmapped_area() 函数来获取进程没被使用的虚拟内存区,并且返回此内存区的首地址。然后,调用 mmap_region() 函数继续进行映射操作。

  在 32 位的操作系统中,每个进程都有 4GB 的虚拟内存空间,应用程序在使用内存前,需要先向操作系统发起申请内存的操作。操作系统会从进程的虚拟内存空间中查找未被使用的内存地址,并且返回给应用程序。

  操作系统会记录进程正在使用中的虚拟内存地址,如果内存地址没被登记,说明此内存地址是空闲的(未被使用)。

  我们继续来看看 mmap_region() 函数的实现,代码如下(经过精简后):

  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. 申请一个虚拟内存区管理结构(vma)

  vma = kmem_cache_zalloc(vm_area_cachep, GFP_KERNEL);

  ...

  // 2. 设置vma结构各个字段的值

  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. 此处是内存映射的关键点,调用文件对象的 mmap() 回调函数来设置vma结构的 fault() 回调函数。

  * vma对象的 fault() 回调函数的作用是:

  * - 当访问的虚拟内存没有映射到物理内存时,

  * - 将会调用 fault() 回调函数对虚拟内存地址映射到物理内存地址。

  */

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

  ...

  }

  ...

  // 4. 把 vma 结构连接到进程虚拟内存区的链表和红黑树中。

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

  ...

  return addr;

  }

  mmap_region() 函数主要完成以下 4 件事情:

  申请一个 vm_area_struct 结构(vma),内核使用 vma 来管理进程的虚拟内存地址,关于 vma 的详细介绍可以参考:《Linux虚拟内存空间管理》。设置 vma 结构各个字段的值。通过调用文件对象的 mmap() 回调函数来设置vma结构的 fault() 回调函数,一般文件对象的 mmap() 回调函数为:generic_file_mmap()。把新创建的 vma 结构连接到进程的虚拟内存区链表和红黑树中。

  内核使用 vm_area_struct 结构来管理进程的虚拟内存地址。当进程需要使用内存时,首先要向操作系统进行申请,操作系统会使用 vm_area_struct 结构来记录被分配出去的内存区的大小、起始地址和权限等。

  我们来看看 vm_area_struct 结构的定义:

  struct vm_area_struct {

  struct mm_struct *vm_mm;

  unsigned long vm_start; // 内存区的开始地址

  unsigned long vm_end; // 内存区的结束地址

  struct vm_area_struct *vm_next; // 把进程所有已分配的内存区链接起来

  pgprot_t vm_page_prot; // 内存区的权限

  ...

  struct rb_node vm_rb; // 为了加快查找内存区而建立的红黑树

  ...

  struct vm_operations_struct *vm_ops; // 内存区的操作回调函数集

  unsigned long vm_pgoff;

  struct file *vm_file; // 如果映射到文件,将指向映射的文件对象

  ...

  };

  struct vm_operations_struct {

  // 当虚拟内存区没有映射到物理内存地址时,将会触发缺页异常,

  // 而在缺页异常处理函数中,将会调用此回调函数来对虚拟内存映射到物理内存。

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

  ...

  };

  当把文件映射到虚拟内存空间时,需要把 vma 结构的 vm_file 字段设置为要映射的文件对象,然后调用文件对象的 mmap() 回调函数来设置 vma 结构的 fault() 回调函数。

  vma 结构的 fault() 回调函数的作用是:当虚拟内存区没有映射到物理内存地址时,将会触发缺页异常。而在缺页异常处理中,将会调用此回调函数来对虚拟内存映射到物理内存。

  我们来看看 generic_file_mmap() 函数是怎么设置 vma 结构的 fault() 回调函数的:

  struct vm_operations_struct generic_file_vm_ops = {

  .fault = filemap_fault, // 将 fault() 回调函数设置为: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,文件映射的过程已经分析完毕。我们来看看其调用链:

  sys_mmap()

  └→ do_mmap_pgoff()

  └→ mmap_region()

  └→ generic_file_mmap()

  2. 缺页异常

  前面介绍了 mmap() 系统调用的处理过程,可以发现 mmap() 只是将 vma 的 vm_file 字段设置为被映射的文件对象,并且将 vma 的 fault() 回调函数设置为 filemap_fault()。也就是说,mmap() 系统调用并没有对虚拟内存进行任何的映射操作。

  我们在《漫画解说 “内存映射”》一文中介绍过,虚拟内存必须映射到物理内存才能使用。如果访问没有映射到物理内存的虚拟内存地址,CPU 将会触发缺页异常。也就是说,虚拟内存并不能直接映射到磁盘中的文件。

  那么 mmap() 是怎么将文件映射到虚拟内存中呢?我们在《 什么是页缓存》一文中介绍过,读写文件时并不是直接对磁盘上的文件进行操作的,而是通过 页缓存 作为中转的,而页缓存就是物理内存中的内存页。所以,mmap() 可以通过将文件的页缓存映射到虚拟内存空间来实现对文件的映射。

  但我们在 mmap() 系统调用的实现中,也没看到将文件页缓存映射到虚拟内存空间。那么映射过程是在什么时候发生的呢?

  答案就是:缺页异常。

  由于 mmap() 系统调用并没有直接将文件的页缓存映射到虚拟内存中,所以当访问到没有映射的虚拟内存地址时,将会触发 缺页异常。当 CPU 触发缺页异常时,将会调用 do_page_fault() 函数来修复触发异常的虚拟内存地址。

  我们主要来看看 do_page_fault() 函数对文件映射的实现部分,其调用链如下:

  do_page_fault()

  └→ handle_mm_fault()

  └→ handle_pte_fault()

  └→ do_linear_fault()

  └→ __do_fault()

  所以我们直接来看看 __do_fault() 函数的实现:

  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; // 要映射的虚拟内存地址

  vmf.pgoff = pgoff; // 映射到文件的偏移量

  vmf.flags = flags; // 标志位

  vmf.page = NULL; // 映射到虚拟内存中的物理内存页

  // 1. 如果虚拟内存管理区提供了 falut() 回调函数,那么将调用此函数来获取要映射的物理内存页,

  // 我们在 mmap() 系统调用的实现中看到,已经将其设置为 filemap_fault() 函数了。

  if (likely(vma->vm_ops->fault)) {

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

  ...

  }

  ...

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

  ...

  // 2. 通过物理内存页生成一个页表项值(可以参考内存映射一文)

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

  if (flags & FAULT_FLAG_WRITE)

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

  // 3. 将虚拟内存地址映射到物理内存(也就是将进程的页表项设置为刚生成的页表项的值)

  set_pte_at(mm, address, page_table, entry);

  ...

  }

  ...

  return ret;

  }

  __do_fault() 函数对处理文件映射部分主要分为 3 个步骤:

  调用虚拟内存管理区结构(vma)的 fault() 回调函数(也就是 filemap_fault() 函数)来获取到文件的页缓存。通过页缓存的物理内存页来生成一个页表项值,可以参考《漫画解说 “内存映射”》一文。将虚拟内存地址映射到页缓存的物理内存页(也就是将进程的页表项设置为上面生成的页表项的值)。

  对于 filemap_fault() 函数是怎样读取文件页缓存的,本文不作解释,有兴趣的可以自行阅读源码。

  最后,我们以一幅图来描述一下虚拟内存是如何与文件进行映射的:

微信截图_20220929174107.png

  从上图可以看出,mmap() 是通过将虚拟内存地址映射到文件的页缓存来实现的。当对映射后的虚拟内存进行读写操作时,其效果等价于直接对文件的页缓存进行读写操作。对文件的页缓存进行读写操作,也等价于对文件进行读写操作。

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