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()
7 z3 y6 ~2 t8 O  u# g4 P在user mode program裡面假如你用open( "/dev/xxx", ... )
- ^6 s  ?# g' g4 P4 y: E* S5 Z去打開一個檔案系統的節點
* T: L& H. c  v+ z% ~4 t" S. B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?
8 H7 M6 C. W) _( g. i6 b. J又有哪些硬體在工作才能達成?
+ h1 k! ?% V2 }3 ~2 W! T
# e; h& d, L3 I: ^; g1 \( c. vmmap的字面意義是memory map
! V) ?- }4 s$ g/ p) U- A  b1 j顧名思義就是『記憶體映對』
- D" z: f) K% v* S簡單來看，就是用mmap()幫你做對映
0 }  l/ Q2 ^& C對映好了，對著傳回的address作存取
3 k8 |0 Y3 V. {) n8 h; x3 o. Z# H就等於對檔案作存取
7 Z6 n, x8 R5 {
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)
" G- e7 c: q$ T" X8 bint fd, mapSize, offset, start;
5 I) q* c1 t) @; o* Cchar* ptr;
2 j, L9 w# H& @. O+ X4 ^
5 p# y% k+ |% w7 F; p' EmapSize = 0x1000; /* 希望映對多大的區塊 */
offset = 0;
start = 0;
! \/ L- M) a3 C/* 打開檔案 */
; H+ ?7 E5 l6 k5 k# {fd = open( "/home/tester/a.txt", O_RDWR | O_SYNC );  
9 ]" s9 u% K3 d' o! J6 n  B/* 作mmap動作，取得一個對應好的address */
; C' e/ s' J% `  i/ rptr = mmap( 0, map_size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, offset );
$ m2 _5 I4 m' B
; t: M1 u+ d9 k$ I; c: |; E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!!" );
4 b$ x- t' \" E- Q
a.txt裡面就會被寫入"hello!!"的字串
! D) Y. O) ?4 V7 v0 x
4 J8 a, A5 V& M" F1 }5 I  l! F2. 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?
( l( E' j9 }+ _/ n' K2 d# Z% m4 ]
& U$ y: t' l$ j. X# f$ V$ M" h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。
0 s8 v/ D9 z! l& \3 }6 T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。
4 m0 U7 J% c# N* D. [1 _1 I
3 g! q8 z5 e% p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。
0 K# ]& G; ^& O7 X: A) P) 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?
" v% G# l; ?1 K& y
$ o' h. H+ E, `; e- x  K* c8 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。
9 r0 A: |/ A$ ?2 k5 K4 R0 `
" S' y, `* }) s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。

! s& W  j1 }# o' p4 F$ b4 |" O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]
0x00008000 ptr1 --> a.txt
0xa0008000 ptr2 --> a.txt

: N; M7 D( o8 Q; ][processB-pgtable]
0x00008000 ptr1 --> a.txt
0xb0008000 ptr2 --> a.txt
2 }0 {5 c& U1 v( E9 z& }+ H& \
& m) G  N( b1 Y, h. f' t$ E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
或許有人有興趣可以回答或是深入研究
8 D/ T6 [! M9 `( F" b
( l6 I  D- U* d' G3 A[延伸想像]
& ]4 W, t6 \9 l+ T) H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
0 a  @" y. o- t3 |$ ^; Y& t2 D; y5 @代表所用的table是不同的
2 o4 W7 v; t, I% y/ Z! [1 U! a: ?% kwow!!!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
7 U- E0 f* l) n1 ]( S7 ~# `; |$ _那OS到底怎麼切換這些page table?
% h$ E2 ]" {  ~: r- {& T, [& Bkernel和user program的page table有什麼不同??
0 q" Q5 k1 h# R
[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?