内存映射原理

物理地址空间

1. 处理器在系统总线上看到的地址。

2. 使用RISC（Reduced Instruction Set Computer RISC 精简指令集）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。

3. 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。外围设备寄存器通常被连续编址，分为两种方式：I/O映射方式（I/O-mapped），内存映射方式（memory-mapped）。

4. 应用程序只能通过虚拟地址访问外设寄存器，内核提供API函数把外设寄存器的物理地址映射到虚拟地址空间。

5. ARM64架构（物理地址宽度最大支持48位）分为两种类型：

   • 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）: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（必须绕过处理器的缓存）。

内存映射原理

内存映射即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。

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，未初始化的数据段、堆栈是私有的匿名映射。

修改过的脏页面不会立即更新到文件中，可以调用msync强制同步写入文件。

数据结构

系统调用

应用程序通常使用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。

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）。

测试代码

#include <stdio.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>

typedef struct {
    char name[6];
    int age;
}people;

int main(int argc, char *argv[]) {

    int fd, i;
    people *p_map;
    char temp;
    fd = open(argv[1], O_CREAT|O_RDWR|O_TRUNC, 00777);
    lseek(fd, sizeof(people) * 5 - 1, SEEK_SET);
    write(fd, "", 1);
    p_map = (people *)mmap(NULL, sizeof(people) * 10, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (p_map == (void *) - 1) {
        fprintf(stderr, "mmap : %s \n", strerror(errno));
        return -1;
    }
    close(fd);
    temp = 'A';
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        temp = temp + 1;
        (*(p_map + i)).name[1] = '\0';
        memcpy((*(p_map + i)).name, &temp, 1);
        (*(p_map + i)).age = 30 + i;
    }

    printf("Initialize.\n");
    sleep(15);
    munmap(p_map, sizeof(people) * 10);
    printf("UMA OK.\n");
    return 0;
}

#include <stdio.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>


typedef struct {
    char name[6];
    int age;
}people;

int main(int argc, char *argv[]) {

    int fd, i;
    people *p_map;
    char temp;
    fd = open(argv[1], O_CREAT|O_RDWR, 00777);
    lseek(fd, sizeof(people) * 5 - 1, SEEK_SET);
    write(fd, "", 1);
    p_map = (people *)mmap(NULL, sizeof(people) * 10, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (p_map == (void *) - 1) {
        fprintf(stderr, "mmap : %s \n", strerror(errno));
        return -1;
    }
    close(fd);

    for (i = 0; i < 10; i++) {
        printf("name:%s age:%d\n", (*(p_map + i)).name, (*(p_map + i)).age);
    }

    munmap(p_map, sizeof(people) * 10);
    printf("UMA OK.\n");
    return 0;
}

#include <unistd.h>
#include <signal.h>
#include <malloc.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <sys/mman.h>

#define handle_error(msg) do{ perror(msg); exit(EXIT_FAILURE);}while(0)

static char *buffer;

static void handler(int sig,siginfo_t *si,void *unused)
{
    printf("Get SIGSEGV at address : %p\n",si->si_addr);
    exit(EXIT_FAILURE);
}

int main(int argc,char *argv[])
{
    int pageSize;
    struct sigaction sa;

    sa.sa_flags = SA_SIGINFO;
    sigemptyset(&sa. sa_mask);
    sa.sa_sigaction = handler;

    if(sigaction(SIGSEGV,&sa,NULL) == -1)
        handle_error("siaction");

    pageSize = sysconf(_SC_PAGE_SIZE);
    if(pageSize == -1)
        handle_error("sysconf");

    buffer = memalign(pageSize, 4 * pageSize);
    if(buffer == NULL)
        handle_error("memalign");

    printf("start of region : %p\n" ,buffer);

    if(mprotect(buffer + pageSize * 2, pageSize, PROT_READ) == -1)
        handle_error("mprotect");

    for(char *p = buffer;;)
    *(p++) = 'A';

    printf("for completed.\n");
    exit(EXIT_SUCCESS);

    return 0;
}

总结

本文主要介绍了物理地址空间，内存映射原理，文件映射到虚拟地址所用数据结构示意图，系统调用，三个函数分别给出demo。

技术参考

本文技术点出处：Linux内核源码视频系列：https://ke.qq.com/course/3294666