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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_SIZEunits */struct file * vm_file;		/* File we map to (can be NULL). */void * vm_private_data;		/* was vm_pte (shared mem) */

内存映射往往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。仅有物理内存和虚拟内容的映射，是一种特殊的情况。

要申请小内存，用brk函数，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。

如果一个进程想映射一个文件到自己的虚拟空间，也需要调用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，mmap是系统调用核心，下面看下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表示打开一个文件。

接下来调用链是vm_mmap_pgoff->do_mmap_pgoff->do_mmap，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

get_unmapped_area函数如下

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的get_unmapped_area函数，这个函数其实是arch_get_unmapped_area，会调用find_vma_prev，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，是映射到一个文件，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。如果是我们熟悉的ext4文件系统，调用的是thp_get_unmapped_area。最终调用还是mm_struct里面的get_unmapped_area函数。

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;
}

mmap_region是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;
.....

刚找到了虚拟内存区域的前一个 vm_area_struct，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？

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空间地址太宝贵了，只有等你真正用的那一刻才会开始分配。

用户态缺页异常

为了加快映射速度，不需要每次都从虚拟地址到物理地址转换都走一遍页表。

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，先通过查页表得到物理地址，然后访问该物理地址读取指令、数据。

总结

• 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
• 用户态访问没有映射的内存会引发缺页异常，分配物理页面、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。