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標題:
Linux 下的 mmap()
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作者:
gogojesse
時間:
2008-8-4 03:17 PM
標題:
Linux 下的 mmap()
以下希望藉由一個實際可以在user mode運作的API, mmap()
3 p9 v" V( S0 N! U
讓programmer能夠感受到MMU這個硬體在系統中所扮演的角色
- G1 A* ^' C9 ^3 y: [
! L d) n9 ~8 E ~
寫linux底下driver的人常常會看到這個東西 mmap()
4 [9 C( f6 v) x$ @" h- g9 m) ~) q
在user mode program裡面假如你用open( "/dev/xxx", ... )
7 B' q$ A$ W, s
去打開一個檔案系統的節點
' s8 W+ U1 x* q" |( ?
就可以用這個file descriptor的handler對他做mmap()的動作
6 e/ {2 z( k; H8 U9 q1 F
那這個mmap究竟背後藏了哪些意義?
& t+ ]( n8 Z* q. |8 h% k
又有哪些硬體在工作才能達成?
+ H* `" M4 s2 ?; n. f; v
0 t, B* H0 j% Q1 W
mmap的字面意義是memory map
7 k( H' s0 s8 s& b
顧名思義就是『記憶體映對』
2 ^6 d @+ t! C) |/ n1 d
簡單來看，就是用mmap()幫你做對映
# m) N- g1 [6 A7 {! O5 c
對映好了，對著傳回的address作存取
3 a6 R' U, N% M7 {
就等於對檔案作存取
1 y, I8 Z" M3 J2 m
! ~6 O" G* y! a4 ^' S* D" y
1. 首先來看mmap()一般是怎麼被使用的 (這邊可以先不用管要傳什麼參數)
, _( F) p6 o8 q3 p$ _9 x6 M
int fd, mapSize, offset, start;
+ w* ^! l. r- _- j
char* ptr;
( W( X* i! S: N# K- G
B7 a$ m; a- K g
mapSize = 0x1000;
/* 希望映對多大的區塊 */
# J/ A6 F Y- t x
offset = 0;
; V; T0 E, H, x: [) w
start = 0;
' I5 ~3 \. d3 k- J" f$ E
/* 打開檔案 */
% \0 S( z) U$ j" J2 f) I C$ }' U
fd = open( "/home/tester/a.txt", O_RDWR | O_SYNC );
# N; Y! f$ Z' `1 `5 W& E
/* 作mmap動作，取得一個對應好的address */
; G& Z3 ~1 ]' _ n7 X% K
ptr = mmap( 0, map_size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, offset );
& z# X* B' q5 f9 ?' A1 u( p5 i- J
4 p* l6 }+ E h# w: I
假如一切順利的話 ptr 就會接到一個address，這個address會對應到a.txt這個檔案所在的起始位置，
5 u4 g5 X3 }) S: \
如果這時候我們用 strcpy( ptr, "hello!!" );
2 V2 y( K0 Q* O1 Y1 {- V
: c7 W5 H+ s4 B7 c: d' X f
a.txt裡面就會被寫入"hello!!"的字串
; T6 u2 ^3 }$ w8 \9 b. t
5 a B; r. V, ^/ V6 O/ v
2. 假如我寫了兩個程式，都是用mmap()到同一個a.txt，程式會不會出問題? 如果不會，那我既然對同一個檔案作mmap(),那我拿到的ptr不是應該是相同的address?
$ T0 J9 Q: j/ e! x
) m" u% z" t' m* O6 X
答案是：兩個程式可以正常執行，但是這兩個回傳的address不一定相同。
! K8 E( s z2 L8 [' T
why? 為什麼對同一個檔案寫入，也都做同樣的mmap()動作，甚至傳的參數值都相同。
) w/ H2 h" g9 @- ]& u
為什麼拿到的address可以是不同的? 更奇怪的是，位址不同，還是同樣寫到同一個檔案上頭。
3 _9 C7 [. Z/ |) h
) i# L, X' W9 N7 T. r. e
假如這一切都是合理的，那表示雖然這兩個位址不一定相同，其實都是對映同一個地方，表示有某種東西記錄著這個對應關係。而且，兩個program的ptr有時候會一樣，可是有時候又不一樣。唯一個可能是表示兩個process各自保有這些映對的方式。
, R5 H- p# _6 _* t
# k0 F; U: f# [! a4 M7 I
3. 假設我只寫一個程式，但是mmap()兩次到同一個檔案上呢? 得到的兩個ptr會一樣嗎?
0 H3 U* u/ ?- o8 g( i
" b( C$ }8 D$ z
答案是：這個兩ptr還是不一樣的，兩個不同program 跑出來的mmap()結果不同也就算了，同一個program呼叫兩次mmap()跑出來的ptr也不一樣，但又都對映著相同的檔案a.txt。因此我們又可以猜測這一個mmap()是動態的，動態去產生一種應對的方式，將傳回的ptr對應到真正的檔案a.txt去，所以同一個process可以對應好幾次，好幾次都用不同的address去對映到相同的檔案上去。
+ `% u+ I% M' B& f, }4 `( ]
/ E3 M# [' x7 P' U1 ?
綜合上面三種現象，我們合理的懷疑系統裡面存在了一個東西，它讓每一個process可以動態地記錄address的對應關係。並且，每個process各自擁有這個table，而這些對映的關係會動態的反應在這個table當中。
4 N0 J2 H6 _5 o* |; l. K+ B
8 a2 G5 J; y6 A. r; l& J
回想一下一個系統有誰會做這種工作，不就是MMU所擔任的重要角色嗎?
6 i- ^% z5 J0 }
每個process各自擁有自己的 page table 當他呼叫mmap()的時候，系統就動態地幫她在這個table上寫上紀錄著
: x" X: Z1 i5 p- r; ?
$ z# T* e7 c1 m
[processA-pgtable]
, a2 _: t5 D- H
0x00008000 ptr1 --> a.txt
# f1 H$ P7 a" R; v2 k
0xa0008000 ptr2 --> a.txt
! @+ M' X. U V# [
) z" L3 U- r% s$ t1 {
[processB-pgtable]
, k& ^) \0 ~/ E' e# u
0x00008000 ptr1 --> a.txt
4 \0 _; N, X8 A8 ?- j, [
0xb0008000 ptr2 --> a.txt
1 |; m m9 v! W8 M& H/ W
) j7 U: H4 Z k8 D) I- O
這樣ptr1, ptr2都可以對應到相同的地方，又因為各個process又有不同table，所以有時候ptr1有可能會相同。
' r, Q" C6 x; g' c p, X
如此一來，我們終於可以合理的解釋我們觀察mmap()為何對映出來的address會有如此的表現。原來就是MMU被加入，而且OS又被設計成每個process都會各自擁有一個page table來記錄他對記憶體如何解讀。
作者:
gogojesse
時間:
2008-8-4 03:20 PM
略寫下兩個延伸的想像問題
; n) X2 ~' c: z
或許有人有興趣可以回答或是深入研究
8 H9 f! a4 r" a' v
2 g1 E0 v1 c2 I ]* b
[延伸想像]
. b' `. Q$ ^5 U% ?$ s6 F" g
我們又可以仔細想想假如每個process都有各自的table
% c8 J# C( V, b8 |8 v
那麼從一個process做context switch到另外一個process的時候
8 a1 @ |' u8 S0 x3 f5 V
代表所用的table是不同的
z) S H$ b$ i6 c
wow!!!可想而知系統是很忙碌的，1秒鐘context switch 10次就要替mmu切換10次page table的mmap方式
& a) M! L4 B5 _1 l, X D( S) ^- E0 x3 M
不然process用錯page table可能就會指到錯誤的位址
. \1 n/ M( z, i! S d2 r& Z! S9 A% Y
那OS到底怎麼切換這些page table?
! v: m. D: X3 s7 i! L8 m) B" m
kernel和user program的page table有什麼不同??
" J) S0 P x( f: _ ?7 N( z
! m, j# e7 a; l3 D* @* u
[延伸想像]
! P: ^4 E# Y8 ]* E0 I
假如我們可以修改page table的權利，是不是就可以寫出一個可以偷取別的process data的東西?因為我可以偷偷的map過去他的address space讀取它的資料??
有辦法嗎? 還是根本沒機會?
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有辦法嗎? 還是根本沒機會?