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()
( B! b% l* `, n& _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
  O; R; C! p6 r* M4 D& E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?
- [+ S' r; ]) ]# U# p又有哪些硬體在工作才能達成?
' k1 p) H( n! F1 f
( K; q; c) c8 v0 W$ \% _* smmap的字面意義是memory map
7 P6 o9 U( @4 ~' c顧名思義就是『記憶體映對』
簡單來看，就是用mmap()幫你做對映
8 T' `. \  v$ Z6 V" M  [對映好了，對著傳回的address作存取
就等於對檔案作存取
* b0 w' B9 c' H3 ^
1 h7 T' V# ^" \7 N1. 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;

mapSize = 0x1000; /* 希望映對多大的區塊 */
% D3 I0 l- m& N# E1 O8 a& b, zoffset = 0;
start = 0;
/* 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 */
ptr = mmap( 0, map_size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, offset );

( d+ |/ J9 G0 Q6 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，
* ?, r2 h- N) W; n如果這時候我們用 strcpy( ptr, "hello!!" );

$ H8 ~! D  [& U/ ua.txt裡面就會被寫入"hello!!"的字串
# I/ F. e7 X) |/ E% |. U, f6 Z
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?

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。
) s; M, G& w& Q+ f* @$ n5 m; ?! ewhy?  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。

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。
+ x% x: F  N& A" `- ^) Z# K& Z
' v  Y/ }. z+ C* o8 w3. 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?

+ Y! F# A$ C9 E( i' Y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。

( T  x2 ]' f- [+ s" |# r' H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。
- M- o+ x& g4 F( c. ]8 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?
- v* S  I: B4 O* j1 R% X# |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]
0 V5 ?3 H3 P0 E# s. q* F0x00008000 ptr1 --> a.txt
6 z* e1 U+ Q9 W% n' w' u. Z0xa0008000 ptr2 --> a.txt

. s& C( a  D$ r8 A1 r: W7 L7 C9 a[processB-pgtable]
! M$ _8 b5 z' H- |) D0x00008000 ptr1 --> a.txt
) w, L- u2 T& a# {. H0xb0008000 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。
& C6 |4 g7 k5 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
或許有人有興趣可以回答或是深入研究

[延伸想像]
2 }/ r" z7 B$ N; c# w- q, N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
, c/ P0 e. e+ {; l4 {( E代表所用的table是不同的
" H' n$ K2 y- Nwow!!!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
9 {% A9 m5 u+ a) D& I) m4 o& a' d2 Z' z3 Q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?
kernel和user program的page table有什麼不同??

$ Y0 x" C: V" ~7 T' u[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?