Linux的mmap文件內(nèi)存映射機制

?在講述文件映射的概念時, 不可避免的要牽涉到虛存(SVR 4的VM). 實際上, 文件映射是虛存的中心概念, 文件映射一方面給用戶提供了一組措施, 好似用戶將文件映射到自己地址空間的某個部分, 使用簡單的內(nèi)存訪問指令讀寫文件；另一方面, 它也可以用于內(nèi)核的基本組織模式, 在這種模式種, 內(nèi)核將整個地址空間視為諸如文件之類的一組不同對象的映射. 中的傳統(tǒng)文件訪問方式是, 首先用open系統(tǒng)調(diào)用打開文件, 然后使用read, write以及l(fā)seek等調(diào)用進行順序或者隨即的I/O. 這種方式是非常低效的, 每一次I/O操作都需要一次系統(tǒng)調(diào)用. 另外, 如果若干個進程訪問同一個文件, 每個進程都要在自己的地址空間維護一個副本, 浪費了內(nèi)存空間. 而如果能夠通過一定的機制將頁面映射到進程的地址空間中, 也就是說首先通過簡單的產(chǎn)生某些內(nèi)存管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成映射的創(chuàng)建. 當進程訪問頁面時產(chǎn)生一個缺頁中斷, 內(nèi)核將頁面讀入內(nèi)存并且更新頁表指向該頁面. 而且這種方式非常方便于同一副本的共享.

　　VM是面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計的, 這里的對象是指內(nèi)存對象: 內(nèi)存對象是一個軟件抽象的概念, 它描述內(nèi)存區(qū)與后備存儲之間的映射. 系統(tǒng)可以使用多種類型的后備存儲, 比如交換空 間, 本地或者遠程文件以及幀緩存等等. VM系統(tǒng)對它們統(tǒng)一處理, 采用同一操作集操作, 比如讀取頁面或者回寫頁面等. 每種不同的后備存儲都可以用不同的方法實現(xiàn)這些操作. 這樣, 系統(tǒng)定義了一套統(tǒng)一的接口, 每種后備存儲給出自己的實現(xiàn)方法. 這樣, 進程的地址空間就被視為一組映射到不同數(shù)據(jù)對象上的的映射組成. 所有的有效地址就是那些映射到數(shù)據(jù)對象上的地址. 這些對象為映射它的頁面提供了持久性的后備存儲. 映射使得用戶可以直接尋址這些對象.

　　值得提出的是, VM體系結(jié)構(gòu)獨立于Unix系統(tǒng), 所有的Unix系統(tǒng)語義, 如正文, 數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)都可以建構(gòu)在基本VM系統(tǒng)之上. 同時, VM體系結(jié)構(gòu)也是獨立于存儲管理的, 存儲管理是由操作系統(tǒng)實施的, 如: 究竟采取什么樣的對換和請求調(diào)頁算法, 究竟是采取分段還是分頁機制進行存儲管理, 究竟是如何將虛擬地址轉(zhuǎn)換成為物理地址等等(Linux中是一種叫Three Level Page Table的機制), 這些都與內(nèi)存對象的概念無關(guān).

　　下面介紹Linux中 VM的實現(xiàn).

　　一個進程應(yīng)該包括一個mm_struct(memory manage struct), 該結(jié)構(gòu)是進程虛擬地址空間的抽象描述, 里面包括了進程虛擬空間的一些管理信息: start_code, end_code, start_data, end_data, start_brk, end_brk等等信息. 另外, 也有一個指向進程虛存區(qū)表(vm_area_struct: virtual memory area)的指針, 該鏈是按照虛擬地址的增長順序排列的. 在Linux進程的地址空間被分作許多區(qū)(vma), 每個區(qū)(vma)都對應(yīng)虛擬地址空間上一段連續(xù)的區(qū)域, vma是可以被共享和保護的獨立實體, 這里的vma就是前面提到的內(nèi)存對象. 下面是vm_area_struct的結(jié)構(gòu), 其中, 前半部分是公共的, 與類型無關(guān)的一些數(shù)據(jù)成員, 如: 指向mm_struct的指針, 地址范圍等等, 后半部分則是與類型相關(guān)的成員, 其中最重要的是一個指向vm_operation_struct向量表的指針vm_ops, vm_pos向量表是一組虛函數(shù), 定義了與vma類型無關(guān)的接口. 每一個特定的子類, 即每種vma類型都必須在向量表中實現(xiàn)這些操作. 這里包括了: open, close, unmap, protect, sync, nopage, wppage, swapout這些操作.

　　struct vm_area_struct {

　　/*公共的, 與vma類型無關(guān)的 */

　　struct mm_struct * vm_mm;

　　unsigned long vm_start;

　　unsigned long vm_end;

　　struct vm_area_struct *vm_next;

　　pgprot_t vm_page_prot;

　　unsigned long vm_flags;

　　short vm_avl_height;

　　struct vm_area_struct * vm_avl_left;

　　struct vm_area_struct * vm_avl_right;

　　struct vm_area_struct *vm_next_share;

　　struct vm_area_struct **vm_pprev_share;

　　/* 與類型相關(guān)的 */

　　struct vm_operations_struct * vm_ops;

　　unsigned long vm_pgoff;

　　struct file * vm_file;

　　unsigned long vm_raend；

　　void * vm_private_data;

　　};

　　vm_ops: open, close, no_page, swapin, swapout……

　　介紹完VM的基本概念后, 我們可以講述mmap和munmap系統(tǒng)調(diào)用了. mmap調(diào)用實際上就是一個內(nèi)存對象vma的創(chuàng)建過程, mmap的調(diào)用格式是:

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

　　其中start是映射地址, length是映射長度, 如果flags的MAP_FIXED不被置位, 則該參數(shù)通常被忽略, 而查找進程地址空間中第一個長度符合的空閑區(qū)域；Fd是映射文件的文件句柄, offset是映射文件中的偏移地址；prot是映射保護權(quán)限, 可以是PROT_EXEC, PROT_READ, PROT_WRITE, PROT_NONE, flags則是指映射類型, 可以是MAP_FIXED, MAP_PRIVATE, MAP_SHARED, 該參數(shù)必須被指定為MAP_PRIVATE和MAP_SHARED其中之一, MAP_PRIVATE 是創(chuàng)建一個寫時拷貝映射(copy-on-write), 也就是說如果有多個進程同時映射到一個文件上, 映射建立時只是共享同樣的存儲頁面, 但是某進程企圖修改頁面內(nèi)容, 則復(fù)制一個副本給該進程私用, 它的任何修改對其它進程都不可見. 而MAP_SHARED則無論修改與否都使用同一副本, 任何進程對頁面的修改對其它進程都是可見的.

　　mmap系統(tǒng)調(diào)用的實現(xiàn)過程是:

　　1.先通過文件系統(tǒng)定位要映射的文件；

　　2.權(quán)限檢查, 映射的權(quán)限不會超過文件打開的方式, 也就是說如果文件是以只讀方式打開, 那么則不允許建立一個可寫映射；

　　3.創(chuàng)建一個vma對象, 并對之進行初始化；

　　4.調(diào)用映射文件的mmap函數(shù), 其主要工作是給vm_ops向量表賦值；

　　5.把該vma鏈入該進程的vma鏈表中, 如果可以和前后的vma合并則合并；

　　6.如果是要求VM_LOCKED(映射區(qū)不被換出)方式映射, 則發(fā)出缺頁請求, 把映射頁面讀入內(nèi)存中.

　　munmap(void * start, size_t length):

　　該調(diào)用可以看作是 mmap的一個逆過程. 它將進程中從start開始length長度的一段區(qū)域的映射關(guān)閉, 如果該區(qū)域不是恰好對應(yīng)一個vma, 則有可能會分割幾個或幾個vma.

　　msync(void * start, size_t length, int flags):

　　把映射區(qū)域的修改回寫到后備存儲中. 因為munmap時并不保證頁面回寫, 如果不調(diào)用msync, 那么有可能在munmap后丟失對映射區(qū)的修改. 其中flags可以是MS_SYNC, MS_ASYNC, MS_INVALIDATE, MS_SYNC要求回寫完成后才返回, MS_ASYNC發(fā)出回寫請求后立即返回, MS_INVALIDATE使用回寫的內(nèi)容更新該文件的其它映射. 該系統(tǒng)調(diào)用是通過調(diào)用映射文件的sync函數(shù)來完成工作的.

　　brk(void * end_data_segement):

　　將進程的數(shù)據(jù)段擴展到 end_data_segement指定的地址, 該系統(tǒng)調(diào)用和mmap的實現(xiàn)方式十分相似, 同樣是產(chǎn)生一個vma, 然后指定其屬性. 不過在此之前需要做一些合法性檢查, 比如該地址是否大于mm->end_code, end_data_segement和mm->brk之間是否還存在其它vma等等. 通過brk產(chǎn)生的vma映射的文件為空, 這和匿名映射產(chǎn)生的vma相似, 關(guān)于匿名映射不做進一步介紹. 庫函數(shù)malloc就是通過brk實現(xiàn)的.

　Linux提供了內(nèi)存映射函數(shù)mmap, 它把文件內(nèi)容映射到一段內(nèi)存上(準確說是虛擬內(nèi)存上), 通過對這段內(nèi)存的讀取和修改, 實現(xiàn)對文件的讀取和修改, 先來看一下mmap的函數(shù)聲明:

　　頭文件:

　　

　　

　　原型: void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offsize);

　　返回值: 成功則返回映射區(qū)起始地址, 失敗則返回MAP_FAILED(-1).

　　參數(shù):

　　addr: 指定映射的起始地址, 通常設(shè)為NULL, 由系統(tǒng)指定.

　　length: 將文件的多大長度映射到內(nèi)存.

　　prot: 映射區(qū)的保護方式, 可以是:

　　PROT_EXEC: 映射區(qū)可被執(zhí)行.

　　PROT_READ: 映射區(qū)可被讀取.

　　PROT_WRITE: 映射區(qū)可被寫入.

　　PROT_NONE: 映射區(qū)不能存取.

　　flags: 映射區(qū)的特性, 可以是:

　　MAP_SHARED: 對映射區(qū)域的寫入數(shù)據(jù)會復(fù)制回文件, 且允許其他映射該文件的進程共享.

　　MAP_PRIVATE: 對映射區(qū)域的寫入操作會產(chǎn)生一個映射的復(fù)制(copy-on-write), 對此區(qū)域所做的修改不會寫回原文件.

　　此外還有其他幾個flags不很常用, 具體查看linux C函數(shù)說明.

　　fd: 由open返回的文件描述符, 代表要映射的文件.

　　offset: 以文件開始處的偏移量, 必須是分頁大小的整數(shù)倍, 通常為0, 表示從文件頭開始映射.

　　下面說一下內(nèi)存映射的步驟:

　　用open系統(tǒng)調(diào)用打開文件, 并返回描述符fd.

　　用mmap建立內(nèi)存映射, 并返回映射首地址指針start.

　　對映射(文件)進行各種操作, 顯示(printf), 修改(sprintf).

　　用munmap(void *start, size_t lenght)關(guān)閉內(nèi)存映射.

　　用close系統(tǒng)調(diào)用關(guān)閉文件fd.

?

　　注意事項:

　　在修改映射的文件時, 只能在原長度上修改, 不能增加文件長度, 因為內(nèi)存是已經(jīng)分配好的.

　　Linux-mmap函數(shù)介紹

　　mmap函數(shù)是unix/linux下的系統(tǒng)調(diào)用，來看《Unix Netword programming》卷二12.2節(jié)對mmap的介紹：

　　The mmap function maps either a file or a Posix shared memory object into the address space of a process.We use this function for three purposes:

　　1. with a regular file to provide memory-mapped I/O

　　2. with special files to provide anonymous memory mappings

　　3. with shm_open to provide Posix shared memory between unrelated processes

　　mmap系統(tǒng)調(diào)用并不是完全為了用于共享內(nèi)存而設(shè)計的。它本身提供了不同于一般對普通文件的訪問方式，進程可以像讀寫內(nèi)存一樣對普通文件的操作。而 Posix或系統(tǒng)V的共享內(nèi)存IPC則純粹用于共享目的，當然mmap()實現(xiàn)共享內(nèi)存也是其主要應(yīng)用之一。

　　mmap系統(tǒng)調(diào)用使得進程之間通過映射同一個普通文件實現(xiàn)共享內(nèi)存。普通文件被映射到進程地址空間后，進程可以像訪問普通內(nèi)存一樣對文件進行訪問，不必再調(diào)用read()，write（）等操作。

　　我們的程序中大量運用了mmap，用到的正是mmap的這種“像訪問普通內(nèi)存一樣對文件進行訪問”的功能。實踐證明，當要對一個文件頻繁的進行訪問，并且指針來回移動時，調(diào)用mmap比用常規(guī)的方法快很多。

　　來看看mmap的定義：

　　void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

　　參數(shù)fd為即將映射到進程空間的文件描述字，一般由open()返回，同時，fd可以指定為-1，此時須指定flags參數(shù)中的MAP_ANON，表明進行的是匿名映射（不涉及具體的文件名，避免了文件的創(chuàng)建及打開，很顯然只能用于具有親緣關(guān)系的進程間通信）。

　　len是映射到調(diào)用進程地址空間的字節(jié)數(shù)，它從被映射文件開頭offset個字節(jié)開始算起。

　　prot參數(shù)指定共享內(nèi)存的訪問權(quán)限。可取如下幾個值的或：PROT_READ（可讀）,PROT_WRITE（可寫）,PROT_EXEC（可執(zhí)行）,PROT_NONE（不可訪問）。

　　flags由以下幾個常值指定：MAP_SHARED, MAP_PRIVATE, MAP_FIXED。其中，MAP_SHARED,MAP_PRIVATE必選其一，而MAP_FIXED則不推薦使用。

　　如果指定為MAP_SHARED，則對映射的內(nèi)存所做的修改同樣影響到文件。如果是MAP_PRIVATE，則對映射的內(nèi)存所做的修改僅對該進程可見，對文件沒有影響。

　　offset參數(shù)一般設(shè)為0，表示從文件頭開始映射。

　　參數(shù)addr指定文件應(yīng)被映射到進程空間的起始地址，一般被指定一個空指針，此時選擇起始地址的任務(wù)留給內(nèi)核來完成。函數(shù)的返回值為最后文件映射到進程空間的地址，進程可直接操作起始地址為該值的有效地址。

　　最后，舉個例子來結(jié)束本節(jié)。4.2節(jié)說過，F(xiàn)ileinformation數(shù)組是以二進制的形式寫進一個叫inforindex的文件中。那么，當要訪問 Fileinformation數(shù)組時，代碼類似這樣：

　　struct stat st;

　　char buffer=” inforindex”;

　　Fileinformation *_fileinfoIndexptr = NULL;

　　if(stat(buffer,&st)<0)

　　{

　　fprintf(stderr,"error to stat %s\n",buffer);

　　exit(-1);

　　}

　　// mmap the inforindex to _fileinfoIndexptr

　　int fd=open(buffer, O_RDONLY);

　　if(fd<0)

　　{

　　printf("error to open %s\n",buffer);

　　exit(-1);

　　}

　　_fileinfoIndexptr?? = (Fileinformation*)mmap(NULL,st.st_size, PROT_READ,MAP_SHARED,fd,0);

　　if(MAP_FAILED == _fileinfoIndexptr)

　　{

　　printf("error to mmap %s\n",buffer);

　　close(fd);

　　exit(-1);

　　}

　　close(fd);

?

????? 下面這個例子顯示了把文件映射到內(nèi)存的方法

　　源代碼是：

　　/************關(guān)于本文檔********************************************

　　*filename: mmap.c

　　*purpose: 說明調(diào)用mmap把文件映射到內(nèi)存的方法

　　*wrote by: zhoulifa(zhoulifa@163.com) 周立發(fā)(http://zhoulifa.bokee.com)

　　Linux愛好者 Linux知識傳播者 SOHO族 開發(fā)者 最擅長C語言

　　*date time:2008-01-27 18:59 上海大雪天，據(jù)說是多年不遇

　　*Note: 任何人可以任意復(fù)制代碼并運用這些文檔，當然包括你的商業(yè)用途

　　* 但請遵循GPL

　　*Thanks to:

　　*??????????????? Ubuntu 本程序在Ubuntu 7.10系統(tǒng)上測試完全正常

　　*??????????????? Google.com 我通常通過google搜索發(fā)現(xiàn)許多有用的資料

　　*Hope:希望越來越多的人貢獻自己的力量，為科學(xué)技術(shù)發(fā)展出力

　　* 科技站在巨人的肩膀上進步更快！感謝有開源前輩的貢獻！

　　*********************************************************************/

　　#include /* for mmap and munmap */

　　#include /* for open */

　　#include /* for open */

　　#include ???? /* for open */

　　#include ??? /* for lseek and write */

　　#include

　　int main(int argc, char **argv)

　　{

　　int fd;

　　char *mapped_mem, * p;

　　int flength = 1024;

　　void * start_addr = 0;

　　fd = open(argv[1], O_RDWR | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR);

　　flength = lseek(fd, 1, SEEK_END);

　　write(fd, "\0", 1); /* 在文件最后添加一個空字符，以便下面printf正常工作 */

　　lseek(fd, 0, SEEK_SET);

　　mapped_mem = mmap(start_addr, flength, PROT_READ,??????? //允許讀

　　MAP_PRIVATE,?????? //不允許其它進程訪問此內(nèi)存區(qū)域

　　fd, 0);

　　/* 使用映射區(qū)域. */

　　printf("%s\n", mapped_mem); /* 為了保證這里工作正常，參數(shù)傳遞的文件名最好是一個文本文件 */

　　close(fd);

　　munmap(mapped_mem, flength);

　　return 0;

　　}

　　編譯運行此程序：

　　gcc -Wall mmap.c

　　./a.out text_filename

　　上面的方法因為用了PROT_READ，所以只能讀取文件里的內(nèi)容，不能修改，如果換成PROT_WRITE就可以修改文件的內(nèi)容了。又由于 用了MAAP_PRIVATE所以只能此進程使用此內(nèi)存區(qū)域，如果換成MAP_SHARED，則可以被其它進程訪問，比如下面的：

　　#include /* for mmap and munmap */

　　#include /* for open */

　　#include /* for open */

　　#include ???? /* for open */

　　#include ??? /* for lseek and write */

　　#include

　　#include /* for memcpy */

　　int main(int argc, char **argv)

　　{

　　int fd;

　　char *mapped_mem, * p;

　　int flength = 1024;

　　void * start_addr = 0;

　　fd = open(argv[1], O_RDWR | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR);

　　flength = lseek(fd, 1, SEEK_END);

　　write(fd, "\0", 1); /* 在文件最后添加一個空字符，以便下面printf正常工作 */

　　lseek(fd, 0, SEEK_SET);

　　start_addr = 0x80000;

　　mapped_mem = mmap(start_addr, flength, PROT_READ|PROT_WRITE,??????? //允許寫入

　　MAP_SHARED,?????? //允許其它進程訪問此內(nèi)存區(qū)域

　　fd, 0);

　　/* 使用映射區(qū)域. */

　　printf("%s\n", mapped_mem); /* 為了保證這里工作正常，參數(shù)傳遞的文件名最好是一個文本文 */

　　while((p = strstr(mapped_mem, "Hello"))) { /* 此處來修改文件 內(nèi)容 */

　　memcpy(p, "Linux", 5);

　　p += 5;

　　}

　　close(fd);

　　munmap(mapped_mem, flength);

　　return 0;

　　}

　　man -a mmap 看更詳細的信息