故事的開始是這樣的，某天在脈脈上看到有人發了下面的帖子：
mmap 原理
在之前的文章中，我們也介紹過 mmap 的原理，比如這篇：《原來 mmap 這么簡單》。當然這篇文章只是簡單介紹了 mmap 的原理，但是 mmap 的實現遠不止那么簡單，這是因為 mmap 涉及多個子系統，如：內存管理、文件系統、中斷處理等。
好消息是，這幾個子系統我們都有對應的文章介紹過：
在閱讀本文前，最好復習一下上面的文章。
雖然在《原來 mmap 這么簡單》一文中，我們簡單介紹過 mmap 的原理。但為了方便分析源碼，下面還是簡單回顧一下 mmap 的原理吧。
mmap 的全稱是 memory map，中文意思是 內存映射。其用途是將文件映射到內存中，然后可以通過對映射區的內存進行讀寫操作，其效果等同于對文件進行讀寫操作。
下面我們通過一幅圖來對 mmap 的原理進行闡述：
從上圖可以看出，mmap 的原理就是將虛擬內存空間映射到文件的頁緩存，在《什么是頁緩存》一文中可知，對文件進行讀寫時需要經過頁緩存進行中轉的。所以當虛擬內存地址映射到文件的頁緩存后，就可以直接通過讀寫映射區內存來對文件進行讀寫操作。
mmap 實現
在分析 mmap 的實現前，最好先了解其使用方式，mmap 的使用可以參考《原來 mmap 這么簡單》這篇文章。
1. 文件映射
當我們使用 mmap() 系統調用對文件進行映射時，將會觸發調用 do_mmap_pgoff() 內核函數來完成工作，我們來看看 do_mmap_pgoff() 函數的實現（經過精簡后）：
unsigned?long do_mmap_pgoff(struct?file?*file,?unsigned?long?addr,? ??????????????unsigned?long?len,?unsigned?long?prot,? ??????????????unsigned?long?flags,?unsigned?long?pgoff) { ????... ????//?1.?獲取一個未被使用的虛擬內存區 ????addr?=?get_unmapped_area(file,?addr,?len,?pgoff,?flags); ????if?(addr?&?~PAGE_MASK) ????????return?addr; ????... ????//?2.?調用?mmap_region()?函數繼續進行映射操作 ????return?mmap_region(file,?addr,?len,?flags,?vm_flags,?pgoff,?accountable); }
經過精簡后的 do_mmap_pgoff() 函數主要完成 2 個工作：
- 首先，調用 get_unmapped_area() 函數來獲取進程沒被使用的虛擬內存區，并且返回此內存區的首地址。
- 然后，調用 mmap_region() 函數繼續進行映射操作。
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在 32 位的操作系統中，每個進程都有 4GB 的虛擬內存空間，應用程序在使用內存前，需要先向操作系統發起申請內存的操作。操作系統會從進程的虛擬內存空間中查找未被使用的內存地址，并且返回給應用程序。
操作系統會記錄進程正在使用中的虛擬內存地址，如果內存地址沒被登記，說明此內存地址是空閑的（未被使用）。
我們繼續來看看 mmap_region() 函數的實現，代碼如下（經過精簡后）：
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.?申請一個虛擬內存區管理結構(vma) ????vma?=?kmem_cache_zalloc(vm_area_cachep,?GFP_KERNEL); ????... ????//?2.?設置vma結構各個字段的值 ????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.?此處是內存映射的關鍵點，調用文件對象的?mmap()?回調函數來設置vma結構的?fault()?回調函數。 ?????????*????vma對象的?fault()?回調函數的作用是： ?????????*????????-?當訪問的虛擬內存沒有映射到物理內存時， ?????????*????????-?將會調用?fault()?回調函數對虛擬內存地址映射到物理內存地址。 ?????????*/ ????????error?=?file->f_op->mmap(file,?vma); ????????... ????} ????... ????//?4.?把?vma?結構連接到進程虛擬內存區的鏈表和紅黑樹中。 ????vma_link(mm,?vma,?prev,?rb_link,?rb_parent); ????... ????return?addr; }
mmap_region() 函數主要完成以下 4 件事情：
- 申請一個 vm_area_struct 結構（vma），內核使用 vma 來管理進程的虛擬內存地址，關于 vma 的詳細介紹可以參考：《Linux虛擬內存空間管理》。
- 設置 vma 結構各個字段的值。
- 通過調用文件對象的 mmap() 回調函數來設置vma結構的 fault() 回調函數，一般文件對象的 mmap() 回調函數為：generic_file_mmap()。
- 把新創建的 vma 結構連接到進程的虛擬內存區鏈表和紅黑樹中。
內核使用 vm_area_struct 結構來管理進程的虛擬內存地址。當進程需要使用內存時，首先要向操作系統進行申請，操作系統會使用 vm_area_struct 結構來記錄被分配出去的內存區的大小、起始地址和權限等。
我們來看看 vm_area_struct 結構的定義：
struct?vm_area_struct?{ ????struct?mm_struct?*vm_mm; ????unsigned?long?vm_start;??????????????//?內存區的開始地址 ????unsigned?long?vm_end;????????????????//?內存區的結束地址 ????struct?vm_area_struct?*vm_next;??????//?把進程所有已分配的內存區鏈接起來 ????pgprot_t?vm_page_prot;???????????????//?內存區的權限 ????... ????struct?rb_node?vm_rb;????????????????//?為了加快查找內存區而建立的紅黑樹 ????... ????struct?vm_operations_struct?*vm_ops;?//?內存區的操作回調函數集 ????unsigned?long?vm_pgoff; ????struct?file?*vm_file;????????????????//?如果映射到文件，將指向映射的文件對象 ????... }; struct?vm_operations_struct?{ ????//?當虛擬內存區沒有映射到物理內存地址時，將會觸發缺頁異常， ????//?而在缺頁異常處理函數中，將會調用此回調函數來對虛擬內存映射到物理內存。 ????int?(*fault)(struct?vm_area_struct?*vma,?struct?vm_fault?*vmf); ????... };
當把文件映射到虛擬內存空間時，需要把 vma 結構的 vm_file 字段設置為要映射的文件對象，然后調用文件對象的 mmap() 回調函數來設置 vma 結構的 fault() 回調函數。
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vma 結構的 fault() 回調函數的作用是：當虛擬內存區沒有映射到物理內存地址時，將會觸發缺頁異常。而在缺頁異常處理中，將會調用此回調函數來對虛擬內存映射到物理內存。
我們來看看 generic_file_mmap() 函數是怎么設置 vma 結構的 fault() 回調函數的：
struct?vm_operations_struct?generic_file_vm_ops?=?{ ????.fault?=?filemap_fault,?//?將?fault()?回調函數設置為：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，文件映射的過程已經分析完畢。我們來看看其調用鏈：
sys_mmap() └→?do_mmap_pgoff() ???└→?mmap_region() ??????└→?generic_file_mmap()
2. 缺頁異常
前面介紹了 mmap() 系統調用的處理過程，可以發現 mmap() 只是將 vma 的 vm_file 字段設置為被映射的文件對象，并且將 vma 的 fault() 回調函數設置為 filemap_fault()。也就是說，mmap() 系統調用并沒有對虛擬內存進行任何的映射操作。
我們在《漫畫解說 “內存映射”》一文中介紹過，虛擬內存必須映射到物理內存才能使用。如果訪問沒有映射到物理內存的虛擬內存地址，CPU 將會觸發缺頁異常。也就是說，虛擬內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存中呢？我們在《 什么是頁緩存》一文中介紹過，讀寫文件時并不是直接對磁盤上的文件進行操作的，而是通過 頁緩存 作為中轉的，而頁緩存就是物理內存中的內存頁。所以，mmap() 可以通過將文件的頁緩存映射到虛擬內存空間來實現對文件的映射。
但我們在 mmap() 系統調用的實現中，也沒看到將文件頁緩存映射到虛擬內存空間。那么映射過程是在什么時候發生的呢？
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答案就是：缺頁異常。
由于 mmap() 系統調用并沒有直接將文件的頁緩存映射到虛擬內存中，所以當訪問到沒有映射的虛擬內存地址時，將會觸發 缺頁異常。當 CPU 觸發缺頁異常時，將會調用 do_page_fault() 函數來修復觸發異常的虛擬內存地址。
我們主要來看看 do_page_fault() 函數對文件映射的實現部分，其調用鏈如下：
do_page_fault() └→?handle_mm_fault() ???└→?handle_pte_fault() ??????└→?do_linear_fault() ?????????└→?__do_fault()
所以我們直接來看看 __do_fault() 函數的實現：
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;?//?要映射的虛擬內存地址 ????vmf.pgoff?=?pgoff;?????????????????????????//?映射到文件的偏移量 ????vmf.flags?=?flags;?????????????????????????//?標志位 ????vmf.page?=?NULL;???????????????????????????//?映射到虛擬內存中的物理內存頁 ????//?1.?如果虛擬內存管理區提供了?falut()?回調函數，那么將調用此函數來獲取要映射的物理內存頁， ????//????我們在?mmap()?系統調用的實現中看到，已經將其設置為?filemap_fault()?函數了。 ????if?(likely(vma->vm_ops->fault))?{ ????????ret?=?vma->vm_ops->fault(vma,?&vmf); ????????... ????} ????... ????if?(likely(pte_same(*page_table,?orig_pte)))?{ ????????... ????????//?2.?通過物理內存頁生成一個頁表項值（可以參考內存映射一文） ????????entry?=?mk_pte(page,?vma->vm_page_prot); ????????if?(flags?&?FAULT_FLAG_WRITE) ????????????entry?=?maybe_mkwrite(pte_mkdirty(entry),?vma); ????????//?3.?將虛擬內存地址映射到物理內存（也就是將進程的頁表項設置為剛生成的頁表項的值） ????????set_pte_at(mm,?address,?page_table,?entry); ????????... ????} ????... ????return?ret; }
__do_fault() 函數對處理文件映射部分主要分為 3 個步驟：
- 調用虛擬內存管理區結構（vma）的 fault() 回調函數（也就是 filemap_fault() 函數）來獲取到文件的頁緩存。
- 通過頁緩存的物理內存頁來生成一個頁表項值，可以參考《漫畫解說 “內存映射”》一文。
- 將虛擬內存地址映射到頁緩存的物理內存頁（也就是將進程的頁表項設置為上面生成的頁表項的值）。
對于 filemap_fault() 函數是怎樣讀取文件頁緩存的，本文不作解釋，有興趣的可以自行閱讀源碼。
最后，我們以一幅圖來描述一下虛擬內存是如何與文件進行映射的：
從上圖可以看出，mmap() 是通過將虛擬內存地址映射到文件的頁緩存來實現的。當對映射后的虛擬內存進行讀寫操作時，其效果等價于直接對文件的頁緩存進行讀寫操作。對文件的頁緩存進行讀寫操作，也等價于對文件進行讀寫操作。
