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()
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", ... )
6 H0 G& Y7 _( K; ^$ R去打開一個檔案系統的節點
: j* r5 Y* g8 j0 @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?
& n4 L9 v: {' V7 F  D: R又有哪些硬體在工作才能達成?
' D( K  \) }- s; B6 D
0 W( R& v7 _7 E; A# I9 gmmap的字面意義是memory map
顧名思義就是『記憶體映對』
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
9 w  N% y7 @$ b8 ~  Q4 {4 \. U6 R3 U" K就等於對檔案作存取
) E. _* o% g. D1 I( @7 n
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)
int fd, mapSize, offset, start;
char* ptr;

, F1 d- a  N1 Z) L3 R+ x# amapSize = 0x1000; /* 希望映對多大的區塊 */
% l2 j& z: J3 ~3 a" H7 f3 Moffset = 0;
start = 0;
- v3 |% e# v4 p# ]5 L* |/* 打開檔案 */
fd = open( "/home/tester/a.txt", O_RDWR | O_SYNC );  
; k! I5 r1 U. x& R/* 作mmap動作，取得一個對應好的address */
ptr = mmap( 0, map_size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, offset );
3 H' N  U9 B: e/ D: Q" w) a* F
7 [5 y* a0 \1 F3 |9 @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

. I! N2 N2 g  D2 V7 A2. 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?
. l1 {- P: r5 w% [# e, y
% U4 r  c1 r7 I/ x9 d2 ]' W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。
- E/ n6 Y0 ], d% mwhy?  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。
: [" _, v' q) r1 }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。
6 T4 e; Q+ s* O( b4 m, ^
  i+ r* z$ q7 v9 m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。

- J" }$ n- ^7 q. ]& L1 \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?
$ z: A, X8 \* w# ^0 q
8 k0 e- W) S, D# M/ t% |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。
1 a; V# {. \7 U- W! a3 b' k% I
( ?) _/ B7 p: u1 L8 n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。

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
& m) A1 G! O' r  N# j- f- A$ l# F
; h( K" N9 t% z4 w, j/ ?& {[processA-pgtable]
# S7 L+ _; S3 k0 a, F1 r0x00008000 ptr1 --> a.txt
- e' K# z! j6 a! a: E* c+ ^0 U0xa0008000 ptr2 --> a.txt
4 @7 j( ?4 @" y( k
[processB-pgtable]
" H8 \" h$ r/ w4 ~! u0x00008000 ptr1 --> a.txt
0 k4 \6 O& [$ O( Y0xb0008000 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。
. q, v+ t/ Q" d* ^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
或許有人有興趣可以回答或是深入研究
5 n& b& m1 Z  F, C# i( |9 X' X
[延伸想像]
9 Q% m; `. S! b# O& i5 S: j( y我們又可以仔細想想假如每個process都有各自的table
那麼從一個process做context switch到另外一個process的時候
( B$ k- o, p' }( ~6 j# Q& `代表所用的table是不同的
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
不然process用錯page table可能就會指到錯誤的位址
0 o- J0 d, H2 Q那OS到底怎麼切換這些page table?
0 w9 D+ I+ r/ A2 i2 W# l7 mkernel和user program的page table有什麼不同??
  n# {; P+ E2 c2 C* `
) {$ F$ X# O# c8 |% W6 Y[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?