Linux 下的 mmap()

gogojesse

以下希望藉由一個實際可以在user mode運作的API, mmap()
: _) M0 C7 i1 G7 M- x讓programmer能夠感受到MMU這個硬體在系統中所扮演的角色

寫linux底下driver的人常常會看到這個東西 mmap()
在user mode program裡面假如你用open( "/dev/xxx", ... )
  `. s( O; X8 b7 p0 ]8 ?' h去打開一個檔案系統的節點
就可以用這個file descriptor的handler對他做mmap()的動作
那這個mmap究竟背後藏了哪些意義?
又有哪些硬體在工作才能達成?

( m2 Q% J5 Z& `  B( Y: ]4 P7 B$ {mmap的字面意義是memory map
0 P2 W; {  x/ K/ o顧名思義就是『記憶體映對』
/ g% E# |) |% l9 k, e9 F6 E. Q簡單來看，就是用mmap()幫你做對映
對映好了，對著傳回的address作存取
就等於對檔案作存取

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)
5 A! e/ v& V: l& k- A; M' e8 B' _int fd, mapSize, offset, start;
char* ptr;

9 Q" \3 d; r% k" X. X2 qmapSize = 0x1000; /* 希望映對多大的區塊 */
2 {. J8 @9 i6 c" I$ c" Aoffset = 0;
start = 0;
/* 打開檔案 */
6 S; W7 r' V1 t; g& [fd = open( "/home/tester/a.txt", O_RDWR | O_SYNC );  
/* 作mmap動作，取得一個對應好的address */
' h% G9 A1 B6 {2 M/ }ptr = mmap( 0, map_size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, offset );

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，
如果這時候我們用 strcpy( ptr, "hello!!" );

a.txt裡面就會被寫入"hello!!"的字串
3 P  [9 F0 t; P4 w1 K3 j& n8 p8 N
3 Q: v, I' U  L- M- G( u* _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?
  V2 l2 F# E  v% K: b
4 r- l* \' c; x# s- V3 O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。
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。
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。
; T2 n- ?* A" K' r6 v% U
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。
) Z# ^- ^, P5 u
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?

3 R6 I) `+ ]7 s/ V$ ?: 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。

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。
# o" d$ C, B' S
* f: l& }$ N6 H( `6 o) |3 y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?
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

! ^; @  t9 a( e4 T3 h$ W" `[processA-pgtable]
/ g5 Y3 F" C. Y' ]& U0x00008000 ptr1 --> a.txt
0xa0008000 ptr2 --> a.txt
* q) Q) H. U9 A+ b5 A
[processB-pgtable]
0x00008000 ptr1 --> a.txt
0xb0008000 ptr2 --> a.txt

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。
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。

gogojesse

略寫下兩個延伸的想像問題
0 e/ t' ?: ?5 ^$ D9 o或許有人有興趣可以回答或是深入研究

; j1 `$ h, F, I9 m5 w* q[延伸想像]
我們又可以仔細想想假如每個process都有各自的table
% O+ w* p$ c! g. L- x那麼從一個process做context switch到另外一個process的時候
8 N7 g% b* X% B& T/ p代表所用的table是不同的
+ j4 d( K4 Z- ~9 Mwow!!!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
不然process用錯page table可能就會指到錯誤的位址
6 m. y) @" G% v+ @那OS到底怎麼切換這些page table?
kernel和user program的page table有什麼不同??

[延伸想像]
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?