内存管理专题02 内存映射原理

学习内容：
一、内存映射原理
二、数据结构
三、系统调用

一、内存映射原理

【物理内存】
物理地址是处理器在系统总线上看到的地址。使用RISC的处理器通常只实现一个物理地址空间，外围设备和物理内存使用统一的物理地址空间。有些处理器架构把分配给外围设备的物理地址区域称为设备内存。
处理器通过外围设备控制器的寄存器访问外围设备，寄存器分为控制寄存器，状态寄存器和数据寄存器三大类。外围设备的寄存器通常被连续编址，处理器对外围谁被寄存编址方式分为两种：I/O映射方式（I/O-mapped），内存映射方式（memory-mapped）。
I/O映射方式：inter X86处理为外围设备的一个专用实现一个单独的地址空间，这个地址空间可以称为I/O地址空间或者I/O单口空间。处理器通过专门的处理指令，如IN OUT这些指令来访问这个空间当中的地址单元。
内存映射方式：使用RISC（精简指令器），处理器实现一个物理地址空间，外围设备和物理内存使用统一的物理地址空间，处理器可以像访问一个内存单元的方式去访问一个外围设备，不需要提供一个专门的I/O指令。
应用程序只能通过虚拟地址访问外设寄存器，内核提供API函数来把外设寄存器的物理地址映射到虚拟地址空间。

ARM64架构（物理地址宽度最大支持48位）分为两种内存类型：
正常内存（Normal Memory）：包括物理内存和只读存储器（ROM）；
设备内存（Device Memory）：指分配给外围设备寄存器的物理地址区域。
设备内存共享属性总是外部共享，缓存属性总是不可缓存（不许绕过处理器的缓存）。

两个进程可以使用共享的文件映射实现共享内存。匿名映射通常是私有映射，共享的匿名映射只可能出现在父进程和子进程之间。在进程的虚拟地址空间中，代码段和数据段是私有的文件映射，未初始化数据段、堆栈是私有的匿名映射。
修改后的脏页面不会立刻更新到文件中，可以调用msync来强制同步写入文件。

【内存映射原理】
创建内存映射的时候，在晋城的用户虚拟地址空间中分配一个虚拟内存区域。内核采用延迟分配物理内存的策略，在进程第一次访问虚拟页的时候，产生缺页异常。如果是文件映射，那么分配物理页，把文件制定区间的数据读到物理页中，然后在页表中把虚拟页映射到物理页。如果是匿名映射，就分配物理页，然后在页表中把虚拟页映射到物理页。

内存映射是在进程的虚拟地址空间中创建一个映射，分为两种：
（1）文件映射：文件支持的内存映射，把文件的一个区间映射到进程的虚拟地址空间，数据源是存储设备上的文件。
（2）匿名映射：没有文件支持的内存映射，把物理内存映射到进程的虚拟地址空间，没有数据源。

二、数据结构

【数据结构】
虚拟内存区域分配给进程的一个虚拟地址范围，内核使用结构体vm_area_struct描述虚拟内存区域，主要核心成员：


虚拟内存区域struct vm_area_struct源码分析如下：



文件映射–虚拟内存区域如下图：

三、系统调用
内存管理子系统提供如下常用的系统调用函数：
1、mmap()——创建内存映射
#include
void *mmap(void *addr , size_t length , int prot , int flags , int fd , off_t offset);

系统调用mmap()：进程创建匿名的内存映射，把内存的物理页映射到进程的虚拟地址空间。进程把文件映射到进程的虚拟地址空间，可以像访问内存一样访问文件，不需要调用系统调用read()/write()访问文件，从而避免用户模式和内核模式之间的切换，提高读写文件速度。两个进程针对同一个文件创建共享的内存映射，实现共享内存。

2、munmap()——删除内存映射
#include
int munmap(void *addr , size_t len);

3、mprotect()——设置虚拟内存区域的访问权限
#include
int mprotect(void *addr , size_t len , int prot);

应用程序通常使用C标准库提供的函数malloc()申请内存。glibc库的内存分配器ptmalloc使用brk或mmap向内核以页为单位申请虚拟内存，然后把页划分成小内存块分配给应用程序。默认阈值是128KB，如果应用程序申请的内存长度小于阈值，ptmalloc分配器使用brk向内核申请虚拟内存，否则ptmalloc分配器使用mmap向内核申请虚拟内存。
应用程序可以直接使用mmap向内核申请虚拟内存。

回顾mmap内存映射原理三个阶段：
1、进程启动映射过程，并且在虚拟地址空间中为映射创建虚拟映射区域；
2、调用内核空间的系统调用函数mmap（不同于用户空间函数），实现文件物理地址和进程虚拟的一一映射关系；
3、进程发起对这片映射空间的访问，引发缺页异常，实现文件内容到物理内存（主存）的拷贝。

操作实例1：使用两个进程通过映射普通文件实现共享内存通信
操作实例2：mprotect()设置虚拟内存区域的访问权限
操作实例比较麻烦，想了解更多可私聊