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黑科技，所以還是寫篇文章來詳細介紹一下 mmap 的實現(xiàn)吧。
其實，源碼分析是比較難寫的，主要有兩個原因：
一方面是源碼實現(xiàn)一般會涉及多個知識點，所以在分析源碼時需要穿插多個知識點，從而增加分析的難度。另一方面是源碼實現(xiàn)會處理很多細節(jié)問題，這些細節(jié)問題雖然不是設(shè)計的主要框架，但忽略了有時會讓人摸不著頭腦。
所以，為了降低分析的難度和讓讀者能夠更容易看懂，在分析源碼時更注重知識點的實現(xiàn)，而在不影響理解的情況下，我會忽略一些細節(jié)問題。而對于穿插其他知識點的時候，會先跳過其實現(xiàn)，并且在后續(xù)的文章對其進行分析。
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(xiàn)遠不止那么簡單，這是因為 mmap 涉及多個子系統(tǒng)，如：內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、中斷處理等。
好消息是，這幾個子系統(tǒng)我們都有對應(yīng)的文章介紹過：
內(nèi)存管理：《Linux虛擬內(nèi)存空間管理》
文件系統(tǒng)：《 什么是頁緩存》
中斷處理：《Linux中斷處理》
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(nèi)存映射。其用途是將文件映射到內(nèi)存中，然后可以通過對映射區(qū)的內(nèi)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(nèi)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(jīng)過頁緩存進行中轉(zhuǎn)的。所以當虛擬內(nèi)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(qū)內(nèi)存來對文件進行讀寫操作。
mmap 實現(xiàn)
在分析 mmap 的實現(xiàn)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(tǒng)調(diào)用對文件進行映射時，將會觸發(fā)調(diào)用 do_mmap_pgoff() 內(nèi)核函數(shù)來完成工作，我們來看看 do_mmap_pgoff() 函數(shù)的實現(xiàn)（經(jīng)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(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)進行映射操作
return mmap_region(file, addr, len, flags, vm_flags, pgoff, accountable);
}
經(jīng)過精簡后的 do_mmap_pgoff() 函數(shù)主要完成 2 個工作：
首先，調(diào)用 get_unmapped_area() 函數(shù)來獲取進程沒被使用的虛擬內(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)進行映射操作。
在 32 位的操作系統(tǒng)中，每個進程都有 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)起申請內(nèi)存的操作。操作系統(tǒng)會從進程的虛擬內(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)會記錄進程正在使用中的虛擬內(nèi)存地址，如果內(nèi)存地址沒被登記，說明此內(nèi)存地址是空閑的（未被使用）。
我們繼續(xù)來看看 mmap_region() 函數(shù)的實現(xiàn)，代碼如下（經(jīng)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(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，調(diào)用文件對象的 mmap() 回調(diào)函數(shù)來設(shè)置vma結(jié)構(gòu)的 fault() 回調(diào)函數(shù)。
* vma對象的 fault() 回調(diào)函數(shù)的作用是：
* - 當訪問的虛擬內(nèi)存沒有映射到物理內(nèi)存時，
* - 將會調(diào)用 fault() 回調(diào)函數(shù)對虛擬內(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：
申請一個 vm_area_struct 結(jié)構(gòu)（vma），內(nèi)核使用 vma 來管理進程的虛擬內(nèi)存地址，關(guān)于 vma 的詳細介紹可以參考：《Linux虛擬內(nèi)存空間管理》。設(shè)置 vma 結(jié)構(gòu)各個字段的值。通過調(diào)用文件對象的 mmap() 回調(diào)函數(shù)來設(shè)置vma結(jié)構(gòu)的 fault() 回調(diào)函數(shù)，一般文件對象的 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)來管理進程的虛擬內(nèi)存地址。當進程需要使用內(nèi)存時，首先要向操作系統(tǒng)進行申請，操作系統(tǒng)會使用 vm_area_struct 結(jié)構(gòu)來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; // 把進程所有已分配的內(nèi)存區(qū)鏈接起來
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象
...
};
struct vm_operations_struct {
// 當虛擬內(nèi)存區(qū)沒有映射到物理內(nèi)存地址時，將會觸發(fā)缺頁異常，
// 而在缺頁異常處理函數(shù)中，將會調(diào)用此回調(diào)函數(shù)來對虛擬內(nèi)存映射到物理內(nèi)存。
int (*fault)(struct vm_area_struct *vma, struct vm_fault *vmf);
...
};
當把文件映射到虛擬內(nèi)存空間時，需要把 vma 結(jié)構(gòu)的 vm_file 字段設(shè)置為要映射的文件對象，然后調(diào)用文件對象的 mmap() 回調(diào)函數(shù)來設(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：當虛擬內(nèi)存區(qū)沒有映射到物理內(nèi)存地址時，將會觸發(fā)缺頁異常。而在缺頁異常處理中，將會調(diào)用此回調(diào)函數(shù)來對虛擬內(nèi)存映射到物理內(nèi)存。
我們來看看 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，文件映射的過程已經(jīng)分析完畢。我們來看看其調(diào)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(tǒng)調(diào)用的處理過程，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象，并且將 vma 的 fault() 回調(diào)函數(shù)設(shè)置為 filemap_fault()。也就是說，mmap() 系統(tǒng)調(diào)用并沒有對虛擬內(nèi)存進行任何的映射操作。
我們在《漫畫解說 “內(nèi)存映射”》一文中介紹過，虛擬內(nèi)存必須映射到物理內(nèi)存才能使用。如果訪問沒有映射到物理內(nèi)存的虛擬內(nèi)存地址，CPU 將會觸發(fā)缺頁異常。也就是說，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(zhuǎn)的，而頁緩存就是物理內(nèi)存中的內(nèi)存頁。所以，mmap() 可以通過將文件的頁緩存映射到虛擬內(nèi)存空間來實現(xiàn)對文件的映射。
但我們在 mmap() 系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn)中，也沒看到將文件頁緩存映射到虛擬內(nèi)存空間。那么映射過程是在什么時候發(fā)生的呢？
答案就是：缺頁異常。
由于 mmap() 系統(tǒng)調(diào)用并沒有直接將文件的頁緩存映射到虛擬內(nèi)存中，所以當訪問到?jīng)]有映射的虛擬內(nèi)存地址時，將會觸發(fā) 缺頁異常。當 CPU 觸發(fā)缺頁異常時，將會調(diào)用 do_page_fault() 函數(shù)來修復觸發(fā)異常的虛擬內(nèi)存地址。
我們主要來看看 do_page_fault() 函數(shù)對文件映射的實現(xiàn)部分，其調(diào)用鏈如下：
do_page_fault()
└→ handle_mm_fault()
└→ handle_pte_fault()
└→ do_linear_fault()
└→ __do_fault()
所以我們直接來看看 __do_fault() 函數(shù)的實現(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; // 標志位
vmf.page = NULL; // 映射到虛擬內(nèi)存中的物理內(nèi)存頁
// 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)來獲取要映射的物理內(nèi)存頁，
// 我們在 mmap() 系統(tǒng)調(diào)用的實現(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. 通過物理內(nèi)存頁生成一個頁表項值（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（也就是將進程的頁表項設(shè)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(shù)對處理文件映射部分主要分為 3 個步驟：
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)）來獲取到文件的頁緩存。通過頁緩存的物理內(nèi)存頁來生成一個頁表項值，可以參考《漫畫解說 “內(nèi)存映射”》一文。將虛擬內(nèi)存地址映射到頁緩存的物理內(nèi)存頁（也就是將進程的頁表項設(shè)置為上面生成的頁表項的值）。
對于 filemap_fault() 函數(shù)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(nèi)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(nèi)存地址映射到文件的頁緩存來實現(xiàn)的。當對映射后的虛擬內(nèi)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。
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