linux内核源码分析之虚拟内存映射

目录

内存映射原理

系统调用

mmap内存映射原理三个阶段

sys_mmap系统调用

munmap系统调用

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内存映射即在进程的虚拟内存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。

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内存映射原理

创建内存映射时，在进程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，把文件指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 ；

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系统调用

应用程序 malloc或mmap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使用brk，否则使用mmap

注：应用层的mmap和内核中的mmap参数不一样

库函数

#include 
void* mmap(void* start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset);

内核

int mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)

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mmap内存映射原理三个阶段

1. 进程启动映射过程，并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mmap，实现物理地址空间和进程的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的拷贝；

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sys_mmap系统调用

mmap 创建 " 内存映射 " 的调用mmap 和 mmap2 ;

mmap 偏移单位是 " 字节 " ,mmap2 偏移单位是 " 页 " ,

在 arm 64 体系架构中 , 没有实现 mmap2 , 只实现了 mmap 系统调用 ;

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munmap系统调用

        系统调用munmap用来删除内存映射，它有两个参数：起始地址和长度即可。它的主要工作委托给内核源码文件处理mm/mmap.c

步骤解析

1. vma = find_vma(mm,start);//根据起始地址找到要删除的第一个虚拟内存区域vma
2. 如果只删除虚拟内存区域vam的部分，那么分裂虚拟内存区域vma
3. 根据结束地址找到删除的最后一个虚拟内存区域vma
4. 如果只删除虚拟内存区域last的一部分，那么分裂虚拟内存区域vma
5. 针对所有删除目标，如果虚拟内存区域被锁定在内存中，调用函数解锁
6. 把所有目标从进程虚拟内存区域链表和树链表中删除，组成一条临时链表
7. 针对所有删除目标，在进程的页表中删除映射，并且从处理器的页缓存中删除映射
8. 执行处理器架构特定的处理操作
9. 删除所有目标

源码如下：

//找到要删除的 第一个 虚拟内存区域 vm_area_struct 结构体实例 
int __do_munmap(struct mm_struct *mm, unsigned long start, size_t len,
		struct list_head *uf, bool downgrade)
{
	unsigned long end;
	struct vm_area_struct *vma, *prev, *last;

	if ((offset_in_page(start)) || start > TASK_SIZE || len > TASK_SIZE-start)
		return -EINVAL;

	len = PAGE_ALIGN(len);
	end = start + len;
	if (len == 0)
		return -EINVAL;

	/*
	 * arch_unmap() might do unmaps itself.  It must be called
	 * and finish any rbtree manipulation before this code
	 * runs and also starts to manipulate the rbtree.
	 */
// 该处理器架构 对应的 删除内存映射的处理操作
	arch_unmap(mm, start, end);

	/* Find the first overlapping VMA */
	vma = find_vma(mm, start);
	if (!vma)
		return 0;
	prev = vma->vm_prev;
	/* we have  start < vma->vm_end  */

	/* if it doesn't overlap, we have nothing.. */
	if (vma->vm_start >= end)
		return 0;

	/*
	 * If we need to split any vma, do it now to save pain later.
	 *
	 * Note: mremap's move_vma VM_ACCOUNT handling assumes a partially
	 * unmapped vm_area_struct will remain in use: so lower split_vma
	 * places tmp vma above, and higher split_vma places tmp vma below.
	 */
	if (start > vma->vm_start) {
		int error;

		/*
		 * Make sure that map_count on return from munmap() will
		 * not exceed its limit; but let map_count go just above
		 * its limit temporarily, to help free resources as expected.
		 */
		if (end < vma->vm_end && mm->map_count >= sysctl_max_map_count)
			return -ENOMEM;
        //不是删除整个 vam 内存区域,指向分裂的区域
		error = __split_vma(mm, vma, start, 0);
		if (error)
			return error;
		prev = vma;
	}

	/* Does it split the last one? */
	last = find_vma(mm, end);
	if (last && end > last->vm_start) {
		int error = __split_vma(mm, last, end, 1);
		if (error)
			return error;
	}
	vma = prev ? prev->vm_next : mm->mmap;

	if (unlikely(uf)) {
		/*
		 * If userfaultfd_unmap_prep returns an error the vmas
		 * will remain splitted, but userland will get a
		 * highly unexpected error anyway. This is no
		 * different than the case where the first of the two
		 * __split_vma fails, but we don't undo the first
		 * split, despite we could. This is unlikely enough
		 * failure that it's not worth optimizing it for.
		 */
		int error = userfaultfd_unmap_prep(vma, start, end, uf);
		if (error)
			return error;
	}

	/*
	 * unlock any mlock()ed ranges before detaching vmas
	 */
//解锁
	if (mm->locked_vm) {
		struct vm_area_struct *tmp = vma;
		while (tmp && tmp->vm_start < end) {
			if (tmp->vm_flags & VM_LOCKED) {
				mm->locked_vm -= vma_pages(tmp);
				munlock_vma_pages_all(tmp);
			}

			tmp = tmp->vm_next;
		}
	}

	/* Detach vmas from rbtree */
// 虚拟内存区域 " 从 进程的 虚拟内存区域 链表 和 红黑树 数据结构中删除
	detach_vmas_to_be_unmapped(mm, vma, prev, end);

	if (downgrade)
		downgrade_write(&mm->mmap_sem);

//被删除内存区域 对应的 映射 " 删除 , 从处理器页表缓存中也删除对应映射
	unmap_region(mm, vma, prev, start, end);

	/* Fix up all other VM information */
//删除所有的虚拟内存区域
	remove_vma_list(mm, vma);

	return downgrade ? 1 : 0;
}

int do_munmap(struct mm_struct *mm, unsigned long start, size_t len,
	      struct list_head *uf)
{
	return __do_munmap(mm, start, len, uf, false);
}

int vm_munmap(unsigned long addr, size_t len)
{
	struct mm_struct *mm = current->mm;
	int ret;

	down_write(&mm->mmap_sem);
	ret = do_munmap(mm, addr, len, NULL);
	up_write(&mm->mmap_sem);
	return ret;
}

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参考：
《深入理解linux内核》
《Linux内核深度解析》