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
" t& B& t8 D. Y( ]0 @4 t+ F
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", ... )
去打開一個檔案系統的節點
5 j4 G% {$ D, `% u5 }. d7 p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?
: ?5 \0 x9 m! b; Q又有哪些硬體在工作才能達成?
0 P5 P0 u! }3 N2 Y+ u2 V7 D
mmap的字面意義是memory map
顧名思義就是『記憶體映對』
4 P# d3 N) L$ ~; s簡單來看，就是用mmap()幫你做對映
! y9 \- ?# _# Q: ]; M3 w; o對映好了，對著傳回的address作存取
就等於對檔案作存取
2 N4 I7 N3 V6 u6 }; p4 x3 u$ [
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;
$ h' u; t0 v. j( }8 V3 H
mapSize = 0x1000; /* 希望映對多大的區塊 */
offset = 0;
start = 0;
; w# g. W; d+ y  ^/* 打開檔案 */
fd = open( "/home/tester/a.txt", O_RDWR | O_SYNC );  
/* 作mmap動作，取得一個對應好的address */
" x$ O& m( K$ N- kptr = mmap( 0, map_size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, offset );
+ }/ G( R2 T6 B% ~# m7 r+ j, ~
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，
/ {) O! Y; H! Y如果這時候我們用 strcpy( ptr, "hello!!" );
& F" m3 V3 C# E/ C( P. I  K+ s
0 w4 b% G- L( Q; Ba.txt裡面就會被寫入"hello!!"的字串

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?
. ~0 B1 K3 u" Z- [
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。
' G. a; @8 r/ e6 B: z+ E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。
' G3 F  n6 r% A! V) m" s
/ [  f2 h" `3 V+ b4 P; H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+ H! f' ?# c3 s, T, ^+ ^
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?

) x# N) O* X4 E! e0 ^. B7 f2 q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。

* V$ C' k6 Q# ]$ t: j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

[processA-pgtable]
/ ^+ w8 h- T, @3 v; ?! V0x00008000 ptr1 --> a.txt
5 ]  w- s- R: D# {0 X, F& I0xa0008000 ptr2 --> a.txt
* [  z* `/ a3 b" g7 {
[processB-pgtable]
0x00008000 ptr1 --> a.txt
, H# g2 L9 n- K) t' c) z' l0xb0008000 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。
9 R9 X, y' Z7 M0 }7 O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
( ^4 C$ M0 l! M1 f. x或許有人有興趣可以回答或是深入研究

[延伸想像]
我們又可以仔細想想假如每個process都有各自的table
# K) R5 v: ]  G7 T! `! {那麼從一個process做context switch到另外一個process的時候
代表所用的table是不同的
6 D, z- b) a) w3 ~# I0 z8 J+ {8 c1 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
不然process用錯page table可能就會指到錯誤的位址
那OS到底怎麼切換這些page table?
" b- W- a! ]7 u8 |1 Qkernel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?