25 用户态内存映射：如何找到正确的会议室？
前面几节，我们既看了虚拟内存空间如何组织的，也看了物理页面如何管理的。现在我们需要一些数据结构，将二者关联起来。
mmap的原理
在虚拟地址空间那一节，我们知道，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。
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。
前面咱们讲堆的时候讲过，如果我们要申请小块内存，就用brk。brk函数之前已经解析过了，这里就不多说了。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。
另外，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 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;
}
......
}
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。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。
const struct file_operations ext4_file_operations = {
......
.mmap = ext4_file_mmap
.get_unmapped_area = thp_get_unmapped_area,
};
unsigned long __thp_get_unmapped_area(struct file *filp, unsigned long len,
loff_t off, unsigned long flags, unsigned long size)
{
unsigned long addr;
loff_t off_end = off + len;
loff_t off_align = round_up(off, size);
unsigned long len_pad;
len_pad = len + size;
......
addr = current->mm->get_unmapped_area(filp, 0, len_pad,
off >> PAGE_SHIFT, flags);
addr += (off - addr) & (size - 1);
return addr;
}
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);
}
到这里，内存映射的内容要告一段落了。你可能会困惑，好像还没和物理内存发生任何关系，还是在虚拟内存里面折腾呀？
对的，因为到目前为止，我们还没有开始真正访问内存呀！这个时候，内存管理并不直接分配物理内存，因为物理内存相对于虚拟地址空间太宝贵了，只有等你真正用的那一刻才会开始分配。
用户态缺页异常
一旦开始访问虚拟内存的某个地址，如果我们发现，并没有对应的物理页，那就触发缺页中断，调用do_page_fault。
dotraplinkage void notrace
do_page_fault(struct pt_regs *regs, unsigned long error_code)
{
unsigned long address = read_cr2(); /* Get the faulting address */
......
__do_page_fault(regs, error_code, address);
......
}
/*
* This routine handles page faults. It determines the address,
* and the problem, and then passes it off to one of the appropriate
* routines.
*/
static noinline void
__do_page_fault(struct pt_regs *regs, unsigned long error_code,
unsigned long address)
{
struct vm_area_struct *vma;
struct task_struct *tsk;
struct mm_struct *mm;
tsk = current;
mm = tsk->mm;
if (unlikely(fault_in_kernel_space(address))) {
if (vmalloc_fault(address) >= 0)
return;
}
......
vma = find_vma(mm, address);
......
fault = handle_mm_fault(vma, address, flags);
......
在__do_page_fault里面，先要判断缺页中断是否发生在内核。如果发生在内核则调用vmalloc_fault，这就和咱们前面学过的虚拟内存的布局对应上了。在内核里面，vmalloc区域需要内核页表映射到物理页。咱们这里把内核的这部分放放，接着看用户空间的部分。
接下来在用户空间里面，找到你访问的那个地址所在的区域vm_area_struct，然后调用handle_mm_fault来映射这个区域。
static int __handle_mm_fault(struct vm_area_struct *vma, unsigned long address,
unsigned int flags)
{
struct vm_fault vmf = {
.vma = vma,
.address = address & PAGE_MASK,
.flags = flags,
.pgoff = linear_page_index(vma, address),
.gfp_mask = __get_fault_gfp_mask(vma),
};
struct mm_struct *mm = vma->vm_mm;
pgd_t *pgd;
p4d_t *p4d;
int ret;
pgd = pgd_offset(mm, address);
p4d = p4d_alloc(mm, pgd, address);
......
vmf.pud = pud_alloc(mm, p4d, address);
......
vmf.pmd = pmd_alloc(mm, vmf.pud, address);
......
return handle_pte_fault(&vmf);
}
到这里，终于看到了我们熟悉的PGD、P4G、PUD、PMD、PTE，这就是前面讲页表的时候，讲述的四级页表的概念，因为暂且不考虑五级页表，我们暂时忽略P4G。
pgd_t 用于全局页目录项，pud_t 用于上层页目录项，pmd_t 用于中间页目录项，pte_t 用于直接页表项。
每个进程都有独立的地址空间，为了这个进程独立完成映射，每个进程都有独立的进程页表，这个页表的最顶级的pgd存放在task_struct中的mm_struct的pgd变量里面。
在一个进程新创建的时候，会调用fork，对于内存的部分会调用copy_mm，里面调用dup_mm。
/*
* Allocate a new mm structure and copy contents from the
* mm structure of the passed in task structure.
*/
static struct mm_struct *dup_mm(struct task_struct *tsk)
{
struct mm_struct *mm, *oldmm = current->mm;
mm = allocate_mm();
memcpy(mm, oldmm, sizeof(*mm));
if (!mm_init(mm, tsk, mm->user_ns))
goto fail_nomem;
err = dup_mmap(mm, oldmm);
return mm;
}
在这里，除了创建一个新的mm_struct，并且通过memcpy将它和父进程的弄成一模一样之外，我们还需要调用mm_init进行初始化。接下来，mm_init调用mm_alloc_pgd，分配全局页目录项，赋值给mm_struct的pgd成员变量。
pgd_alloc里面除了分配PGD之外，还做了很重要的一个事情，就是调用pgd_ctor。
static void pgd_ctor(struct mm_struct *mm, pgd_t *pgd)
{
/* If the pgd points to a shared pagetable level (either the
ptes in non-PAE, or shared PMD in PAE), then just copy the
references from swapper_pg_dir. */
if (CONFIG_PGTABLE_LEVELS == 2 ||
(CONFIG_PGTABLE_LEVELS == 3 && SHARED_KERNEL_PMD) ||
CONFIG_PGTABLE_LEVELS >= 4) {
clone_pgd_range(pgd + KERNEL_PGD_BOUNDARY,
swapper_pg_dir + KERNEL_PGD_BOUNDARY,
KERNEL_PGD_PTRS);
}
......
}
pgd_ctor干了什么事情呢？我们注意看里面的注释，它拷贝了对于swapper_pg_dir的引用。swapper_pg_dir是内核页表的最顶级的全局页目录。
一个进程的虚拟地址空间包含用户态和内核态两部分。为了从虚拟地址空间映射到物理页面，页表也分为用户地址空间的页表和内核页表，这就和上面遇到的vmalloc有关系了。在内核里面，映射靠内核页表，这里内核页表会拷贝一份到进程的页表。至于swapper_pg_dir是什么，怎么初始化的，怎么工作的，我们还是先放一放，放到下一节统一讨论。
至此，一个进程fork完毕之后，有了内核页表，有了自己顶级的pgd，但是对于用户地址空间来讲，还完全没有映射过。这需要等到这个进程在某个CPU上运行，并且对内存访问的那一刻了。
当这个进程被调度到某个CPU上运行的时候，咱们在调度那一节讲过，要调用context_switch进行上下文切换。对于内存方面的切换会调用switch_mm_irqs_off，这里面会调用 load_new_mm_cr3。
cr3是CPU的一个寄存器，它会指向当前进程的顶级pgd。如果CPU的指令要访问进程的虚拟内存，它就会自动从cr3里面得到pgd在物理内存的地址，然后根据里面的页表解析虚拟内存的地址为物理内存，从而访问真正的物理内存上的数据。
这里需要注意两点。第一点，cr3里面存放当前进程的顶级pgd，这个是硬件的要求。cr3里面需要存放pgd在物理内存的地址，不能是虚拟地址。因而load_new_mm_cr3里面会使用__pa，将mm_struct里面的成员变量pgd（mm_struct里面存的都是虚拟地址）变为物理地址，才能加载到cr3里面去。
第二点，用户进程在运行的过程中，访问虚拟内存中的数据，会被cr3里面指向的页表转换为物理地址后，才在物理内存中访问数据，这个过程都是在用户态运行的，地址转换的过程无需进入内核态。
只有访问虚拟内存的时候，发现没有映射到物理内存，页表也没有创建过，才触发缺页异常。进入内核调用do_page_fault，一直调用到__handle_mm_fault，这才有了上面解析到这个函数的时候，我们看到的代码。既然原来没有创建过页表，那只好补上这一课。于是，__handle_mm_fault调用pud_alloc和pmd_alloc，来创建相应的页目录项，最后调用handle_pte_fault来创建页表项。
绕了一大圈，终于将页表整个机制的各个部分串了起来。但是咱们的故事还没讲完，物理的内存还没找到。我们还得接着分析handle_pte_fault的实现。
static int handle_pte_fault(struct vm_fault *vmf)
{
pte_t entry;
......
vmf->pte = pte_offset_map(vmf->pmd, vmf->address);
vmf->orig_pte = *vmf->pte;
......
if (!vmf->pte) {
if (vma_is_anonymous(vmf->vma))
return do_anonymous_page(vmf);
else
return do_fault(vmf);
}
if (!pte_present(vmf->orig_pte))
return do_swap_page(vmf);
......
}
这里面总的来说分了三种情况。如果PTE，也就是页表项，从来没有出现过，那就是新映射的页。如果是匿名页，就是第一种情况，应该映射到一个物理内存页，在这里调用的是do_anonymous_page。如果是映射到文件，调用的就是do_fault，这是第二种情况。如果PTE原来出现过，说明原来页面在物理内存中，后来换出到硬盘了，现在应该换回来，调用的是do_swap_page。
我们来看第一种情况，do_anonymous_page。对于匿名页的映射，我们需要先通过pte_alloc分配一个页表项，然后通过alloc_zeroed_user_highpage_movable分配一个页。之后它会调用alloc_pages_vma，并最终调用__alloc_pages_nodemask。
这个函数你还记得吗？就是咱们伙伴系统的核心函数，专门用来分配物理页面的。do_anonymous_page接下来要调用mk_pte，将页表项指向新分配的物理页，set_pte_at会将页表项塞到页表里面。
static int do_anonymous_page(struct vm_fault *vmf)
{
struct vm_area_struct *vma = vmf->vma;
struct mem_cgroup *memcg;
struct page *page;
int ret = 0;
pte_t entry;
......
if (pte_alloc(vma->vm_mm, vmf->pmd, vmf->address))
return VM_FAULT_OOM;
......
page = alloc_zeroed_user_highpage_movable(vma, vmf->address);
......
entry = mk_pte(page, vma->vm_page_prot);
if (vma->vm_flags & VM_WRITE)
entry = pte_mkwrite(pte_mkdirty(entry));
vmf->pte = pte_offset_map_lock(vma->vm_mm, vmf->pmd, vmf->address,
&vmf->ptl);
......
set_pte_at(vma->vm_mm, vmf->address, vmf->pte, entry);
......
}
第二种情况映射到文件do_fault，最终我们会调用__do_fault。
static int __do_fault(struct vm_fault *vmf)
{
struct vm_area_struct *vma = vmf->vma;
int ret;
......
ret = vma->vm_ops->fault(vmf);
......
return ret;
}
这里调用了struct vm_operations_struct vm_ops的fault函数。还记得咱们上面用mmap映射文件的时候，对于ext4文件系统，vm_ops指向了ext4_file_vm_ops，也就是调用了ext4_filemap_fault。
static const struct vm_operations_struct ext4_file_vm_ops = {
.fault = ext4_filemap_fault,
.map_pages = filemap_map_pages,
.page_mkwrite = ext4_page_mkwrite,
};
int ext4_filemap_fault(struct vm_fault *vmf)
{
struct inode *inode = file_inode(vmf->vma->vm_file);
......
err = filemap_fault(vmf);
......
return err;
}
ext4_filemap_fault里面的逻辑我们很容易就能读懂。vm_file就是咱们当时mmap的时候映射的那个文件，然后我们需要调用filemap_fault。对于文件映射来说，一般这个文件会在物理内存里面有页面作为它的缓存，find_get_page就是找那个页。如果找到了，就调用do_async_mmap_readahead，预读一些数据到内存里面；如果没有，就跳到no_cached_page。
int filemap_fault(struct vm_fault *vmf)
{
int error;
struct file *file = vmf->vma->vm_file;
struct address_space *mapping = file->f_mapping;
struct inode *inode = mapping->host;
pgoff_t offset = vmf->pgoff;
struct page *page;
int ret = 0;
......
page = find_get_page(mapping, offset);
if (likely(page) && !(vmf->flags & FAULT_FLAG_TRIED)) {
do_async_mmap_readahead(vmf->vma, ra, file, page, offset);
} else if (!page) {
goto no_cached_page;
}
......
vmf->page = page;
return ret | VM_FAULT_LOCKED;
no_cached_page:
error = page_cache_read(file, offset, vmf->gfp_mask);
......
}
如果没有物理内存中的缓存页，那我们就调用page_cache_read。在这里显示分配一个缓存页，将这一页加到lru表里面，然后在address_space中调用address_space_operations的readpage函数，将文件内容读到内存中。address_space的作用咱们上面也介绍过了。
static int page_cache_read(struct file *file, pgoff_t offset, gfp_t gfp_mask)
{
struct address_space *mapping = file->f_mapping;
struct page *page;
......
page = __page_cache_alloc(gfp_mask|__GFP_COLD);
......
ret = add_to_page_cache_lru(page, mapping, offset, gfp_mask & GFP_KERNEL);
......
ret = mapping->a_ops->readpage(file, page);
......
}
struct address_space_operations对于ext4文件系统的定义如下所示。这么说来，上面的readpage调用的其实是ext4_readpage。因为我们还没讲到文件系统，这里我们不详细介绍ext4_readpage具体干了什么。你只要知道，最后会调用ext4_read_inline_page，这里面有部分逻辑和内存映射有关就行了。
static const struct address_space_operations ext4_aops = {
.readpage = ext4_readpage,
.readpages = ext4_readpages,
......
};
static int ext4_read_inline_page(struct inode *inode, struct page *page)
{
void *kaddr;
......
kaddr = kmap_atomic(page);
ret = ext4_read_inline_data(inode, kaddr, len, &iloc);
flush_dcache_page(page);
kunmap_atomic(kaddr);
......
}
在ext4_read_inline_page函数里，我们需要先调用kmap_atomic，将物理内存映射到内核的虚拟地址空间，得到内核中的地址kaddr。 我们在前面提到过kmap_atomic，它是用来做临时内核映射的。本来把物理内存映射到用户虚拟地址空间，不需要在内核里面映射一把。但是，现在因为要从文件里面读取数据并写入这个物理页面，又不能使用物理地址，我们只能使用虚拟地址，这就需要在内核里面临时映射一把。临时映射后，ext4_read_inline_data读取文件到这个虚拟地址。读取完毕后，我们取消这个临时映射kunmap_atomic就行了。
至于kmap_atomic的具体实现，我们还是放到内核映射部分再讲。
我们再来看第三种情况，do_swap_page。之前我们讲过物理内存管理，你这里可以回忆一下。如果长时间不用，就要换出到硬盘，也就是swap，现在这部分数据又要访问了，我们还得想办法再次读到内存中来。
int do_swap_page(struct vm_fault *vmf)
{
struct vm_area_struct *vma = vmf->vma;
struct page *page, *swapcache;
struct mem_cgroup *memcg;
swp_entry_t entry;
pte_t pte;
......
entry = pte_to_swp_entry(vmf->orig_pte);
......
page = lookup_swap_cache(entry);
if (!page) {
page = swapin_readahead(entry, GFP_HIGHUSER_MOVABLE, vma,
vmf->address);
......
}
......
swapcache = page;
......
pte = mk_pte(page, vma->vm_page_prot);
......
set_pte_at(vma->vm_mm, vmf->address, vmf->pte, pte);
vmf->orig_pte = pte;
......
swap_free(entry);
......
}
do_swap_page函数会先查找swap文件有没有缓存页。如果没有，就调用swapin_readahead，将swap文件读到内存中来，形成内存页，并通过mk_pte生成页表项。set_pte_at将页表项插入页表，swap_free将swap文件清理。因为重新加载回内存了，不再需要swap文件了。
swapin_readahead会最终调用swap_readpage，在这里，我们看到了熟悉的readpage函数，也就是说读取普通文件和读取swap文件，过程是一样的，同样需要用kmap_atomic做临时映射。
int swap_readpage(struct page *page, bool do_poll)
{
struct bio *bio;
int ret = 0;
struct swap_info_struct *sis = page_swap_info(page);
blk_qc_t qc;
struct block_device *bdev;
......
if (sis->flags & SWP_FILE) {
struct file *swap_file = sis->swap_file;
struct address_space *mapping = swap_file->f_mapping;
ret = mapping->a_ops->readpage(swap_file, page);
return ret;
}
......
}
通过上面复杂的过程，用户态缺页异常处理完毕了。物理内存中有了页面，页表也建立好了映射。接下来，用户程序在虚拟内存空间里面，可以通过虚拟地址顺利经过页表映射的访问物理页面上的数据了。
为了加快映射速度，我们不需要每次从虚拟地址到物理地址的转换都走一遍页表。
页表一般都很大，只能存放在内存中。操作系统每次访问内存都要折腾两步，先通过查询页表得到物理地址，然后访问该物理地址读取指令、数据。
为了提高映射速度，我们引入了TLB（Translation Lookaside Buffer），我们经常称为快表，专门用来做地址映射的硬件设备。它不在内存中，可存储的数据比较少，但是比内存要快。所以，我们可以想象，TLB就是页表的Cache，其中存储了当前最可能被访问到的页表项，其内容是部分页表项的一个副本。
有了TLB之后，地址映射的过程就像图中画的。我们先查块表，块表中有映射关系，然后直接转换为物理地址。如果在TLB查不到映射关系时，才会到内存中查询页表。
总结时刻
用户态的内存映射机制，我们解析的差不多了，我们来总结一下，用户态的内存映射机制包含以下几个部分。
- 用户态内存映射函数mmap，包括用它来做匿名映射和文件映射。
- 用户态的页表结构，存储位置在mm_struct中。
- 在用户态访问没有映射的内存会引发缺页异常，分配物理页表、补齐页表。如果是匿名映射则分配物理内存；如果是swap，则将swap文件读入；如果是文件映射，则将文件读入。
课堂练习
你可以试着用mmap系统调用，写一个程序来映射一个文件，并读取文件的内容。
欢迎留言和我分享你的疑惑和见解，也欢迎你收藏本节内容，反复研读。你也可以把今天的内容分享给你的朋友，和他一起学习、进步。
- 活的潇洒 👍（23） 💬（3）
比起《深入浅出计算机组成原理》和《Linux性能优化实战》的篇幅 本节花了三天，每天不少于2小时，才把笔记做完，估计老师也花费不少时间 day25笔记：https://www.cnblogs.com/luoahong/p/10916458.html
2019-05-29 - zzuse 👍（18） 💬（2）
我感觉学得很吃力，调用链太长了
2019-05-24 - LDxy 👍（8） 💬（2）
请问老师，内核里面这些复杂的机制的实现，在当初软件开发开始前有详细的设计文档的吗？分布在全球各地的开发者是如何能达成这种复杂设计的共识的呢？这些内核里的函数相互依赖又和底层硬件相关，是如何进行单元测试的呢？
2019-05-26 - 啦啦啦 👍（5） 💬（1）
这篇看了四五遍，都是看了一半就没看了，这是第一次全部看完这篇文章，发现后半部分比前面好理解
2019-07-21 - mooneal 👍（2） 💬（2）
难道堆中数据也是通过匿名映射来获取具体的物理地址？
2020-05-21 - 玉剑冰锋 👍（1） 💬（1）
分配全局页目录项，赋值给mm_struct的pdg成员变量。这里应该是pgd吧老师？
2019-05-28 - 一笔一画 👍（1） 💬（2）
请教下老师，内核线程的task struct上的mm为什么为空？另外看代码还有个active_mm，这个设计上有什么考虑吗？
2019-05-24 - youyui 👍（0） 💬（1）
mmap可以将文件映射到内核态的虚拟内存空间吗？（据说NIO直接内存就是这么实现的）
2019-06-21 - skye 👍（0） 💬（1）
请问老师，malloc调用的也是mmap 吗？
2019-06-21 - Geek_49fbe5 👍（0） 💬（1）
老师，我们平时说的pss应该是指已经分配给进程的物理页面大小的总和吧？那如果运行中有部分页面被swap到了硬盘，此时的pss还把这部分大小算进去吗？
2019-06-01 - kdb_reboot 👍（0） 💬（1）
又开始跟这个专栏了 因为感觉内容还是有料的；一个建议：在讲解每一章的时候 可否列出参考资料 或者推荐资料 或者推荐阅读的章节？有证可查 也可以互相参考
2019-05-26 - 微秒 👍（0） 💬（1）
老师，我觉得你这里说了好多地方出现了没有修饰的内存字眼，麻烦你写具体的物理内存或者虚拟内存，不然看得云里雾里的
2019-05-26 - 卫江 👍（0） 💬（1）
老师，想问一下，中断和异常有什么区别
2019-05-24 - why 👍（55） 💬（1）
- 申请小块内存用 brk; 申请大块内存或文件映射用 mmap - mmap 映射文件, 由 fd 得到 struct file - 调用 ...->do_mmap - 调用 get_unmapped_area 找到一个可以进行映射的 vm_area_struct - 调用 mmap_region 进行映射 - get_unmapped_area - 匿名映射: 找到前一个 vm_area_struct - 文件映射: 调用 file 中 file_operations 文件的相关操作, 最终也会调用到 get_unmapped_area - mmap_region - 通过 vm_area_struct 判断, 能否基于现有的块扩展(调用 vma_merge) - 若不能, 调用 kmem_cache_alloc 在 slub 中得到一个 vm_area_struct 并进行设置 - 若是文件映射: 则调用 file_operations 的 mmap 将 vm_area_struct 的内存操作设置为文件系统对应操作(读写内存就是读写文件系统) - 通过 vma_link 将 vm_area_struct 插入红黑树 - 若是文件映射, 调用 __vma_link_file 建立文件到内存的反映射 - 内存管理不直接分配内存, 在使用时才分配 - 用户态缺页异常, 触发缺页中断, 调用 do_page_default - __do_page_fault 判断中断是否发生在内核 - 若发生在内核, 调用 vmalloc_fault, 使用内核页表进行映射 - 若不是, 找到对应 vm_area_struct 调用 handle_mm_fault - 得到多级页表地址 pgd 等 - pgd 存在 task_struct.mm_struct.pgd 中 - 全局页目录项 pgd 在创建进程 task_struct 时创建并初始化, 会调用 pgd_ctor 拷贝内核页表到进程的页表 - 进程被调度运行时, 通过 switch_mm_irqs_off->load_new_mm_cr3 切换内存上下文 - cr3 是 cpu 寄存器, 存储进程 pgd 的物理地址(load_new_mm_cr3 加载时通过直接内存映射进行转换) - cpu 访问进程虚拟内存时, 从 cr3 得到 pgd 页表, 最后得到进程访问的物理地址 - 进程地址转换发生在用户态, 缺页时才进入内核态(调用__handle_mm_fault) - __handle_mm_fault 调用 pud_alloc, pmd_alloc, handle_pte_fault 分配页表项 - 若不存在 pte - 匿名页: 调用 do_anonymous_page 分配物理页 ① - 文件映射: 调用 do_fault ② - 若存在 pte, 调用 do_swap_page 换入内存 ③ - ① 为匿名页分配内存 - 调用 pte_alloc 分配 pte 页表项 - 调用 ...->__alloc_pages_nodemask 分配物理页 - mk_pte 页表项指向物理页; set_pte_at 插入页表项 - ② 为文件映射分配内存 __do_fault - 以 ext4 为例, 调用 ext4_file_fault->filemap_fault - 文件映射一般有物理页作为缓存 find_get_page 找缓存页 - 若有缓存页, 调用函数预读数据到内存 - 若无缓存页, 调用 page_cache_read 分配一个, 加入 lru 队列, 调用 readpage 读数据: 调用 kmap_atomic 将物理内存映射到内核临时映射空间, 由内核读取文件, 再调用 kunmap_atomic 解映射 - ③ do_swap_page - 先检查对应 swap 有没有缓存页 - 没有, 读入 swap 文件(也是调用 readpage) - 调用 mk_pte; set_pet_at; swap_free(清理 swap) - 避免每次都需要经过页表(存再内存中)访问内存 - TLB 缓存部分页表项的副本
2019-05-25 - 超超 👍（9） 💬（0）
#include<unistd.h> #include<stdio.h> #include<stdlib.h> #include<string.h> #include<sys/types.h> #include<sys/stat.h> #include<sys/time.h> #include<fcntl.h> #include<sys/mman.h> #define MAX 10000 //实现把存有10000个整数的文件的每个整数值加1，再写回文件 int main() { int i=0; int fd=0; int *array = (int *)malloc( sizeof(int)*MAX ); if(!array) { return -1;} /*mmap*/ fd = open( "mmap_test", O_RDWR ); array = mmap( NULL, sizeof(int)*MAX, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0 ); for( i=0; i<MAX; ++i ) ++array[ i ]; munmap( array, sizeof(int)*MAX ); msync( array, sizeof(int)*MAX, MS_SYNC ); free( array ); close( fd ); return 0; }
2019-07-17