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()
7 X8 T4 V( u7 @2 T讓programmer能夠感受到MMU這個硬體在系統中所扮演的角色
" H6 p. |) I. Z" z" K
% m5 Q' u' S7 \! Y寫linux底下driver的人常常會看到這個東西 mmap()
1 G7 n( o3 L  z/ [% Q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
3 @$ C' a; c1 a: b' x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?

mmap的字面意義是memory map
& y( t+ ~; S# K* E顧名思義就是『記憶體映對』
  }5 }! _! N+ E$ K% `3 T* F$ `簡單來看，就是用mmap()幫你做對映
8 I3 x, L0 W/ _! U6 {5 N9 s/ c對映好了，對著傳回的address作存取
就等於對檔案作存取
' d4 k' e* p4 C, O2 P7 `
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)
3 ?6 O1 `2 C% w# f* s6 Y* e% [int fd, mapSize, offset, start;
" H. e+ d' a; ~1 Dchar* ptr;

# j; }1 d8 l5 h; I+ I; J7 AmapSize = 0x1000; /* 希望映對多大的區塊 */
offset = 0;
+ y; ]8 _$ B1 f' C% ostart = 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 );
1 k+ G, \" F+ F4 F: b9 e  [5 @
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!!" );
  c9 ?, r/ o1 l2 n2 ^
0 h0 g: C- W5 [; {9 za.txt裡面就會被寫入"hello!!"的字串

) l  a# _9 k1 R; [& t2. 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。
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。
" o! p; O) ~' Q$ }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。
& f4 y# Z6 y# Y( [& k, n
) H% m# p. s+ X7 G0 ?, ^# u! l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。
. C) I5 ^# C( ]& k1 P9 d
! Q( C( f. Y/ D' q+ e2 H! }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?

+ t0 n% k, H& W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。

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?
+ U6 w+ ^. U$ q* V, e+ ?, W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
4 @- Q  _  ^* O8 {8 c; _" ?! b' Z8 a
[processA-pgtable]
! E+ v7 w+ E% o# B# @0x00008000 ptr1 --> a.txt
0xa0008000 ptr2 --> a.txt
3 r  {3 d# Z& L* H4 d, X
$ \% \0 l- x  r, U0 W. |[processB-pgtable]
7 i  m  \4 d' N9 v, @& o0x00008000 ptr1 --> a.txt
0xb0008000 ptr2 --> a.txt

7 [0 r; O4 b+ |3 t+ l5 X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。
' W2 e! Y8 P& i0 r8 x3 u( F/ C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

: s# e" I% [7 |- e- W[延伸想像]
6 P+ O5 a# q* f我們又可以仔細想想假如每個process都有各自的table
+ S$ Z3 x8 A7 D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
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
& C8 E: ?- f% s1 ~' r& [# k不然process用錯page table可能就會指到錯誤的位址
8 p4 d4 S+ N* i/ j9 H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]
8 q8 y' d- J; K' o4 p( w6 t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?