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
4 g/ n7 `3 s7 O  ~+ h, f6 P7 Y! h2 A
寫linux底下driver的人常常會看到這個東西 mmap()
- S9 N$ P" `' n4 Z# N8 S在user mode program裡面假如你用open( "/dev/xxx", ... )
7 r) f- d2 B6 W& c: f去打開一個檔案系統的節點
就可以用這個file descriptor的handler對他做mmap()的動作
7 ]" U. k# p' i1 {那這個mmap究竟背後藏了哪些意義?
8 W6 w0 A9 e4 O又有哪些硬體在工作才能達成?

6 C$ }+ n, Y" @  ~/ l' J2 Qmmap的字面意義是memory map
顧名思義就是『記憶體映對』
6 o$ }/ c/ x7 ~* a$ C- `0 c" m+ k3 h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 O( J' J# N8 \( r5 ?* ?% c+ g7 w就等於對檔案作存取

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)
! ^. L) V* ^$ D3 q& lint fd, mapSize, offset, start;
2 `/ q) L* w7 U6 I5 x" lchar* ptr;

mapSize = 0x1000; /* 希望映對多大的區塊 */
offset = 0;
start = 0;
7 h( R- h: m8 K( m2 A* S/* 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 */
( d+ A9 g5 V, R5 e) x! Hptr = mmap( 0, map_size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, offset );
) [0 n' [, j. |& U
( x0 E* r% x$ S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!!" );
7 V* D7 i6 M) s, V
a.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?
/ f6 ^! r, U3 x2 f* c
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。
) t, f8 r1 p' {" ~: d0 Xwhy?  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。
* [1 H0 b6 U6 t- F6 \% m5 Q; r0 g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。
+ F: \5 f0 p5 i2 H
, V" J0 _$ Y3 B8 h/ A* ^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。

3 q8 B$ D; a( r  k! p8 }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?
* T) K6 g# ]. Z6 i) Y9 A
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。
+ m0 `. c8 U$ `9 c
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。
1 R+ L7 I( k& ]. O  r5 n- [, C: E
$ s5 I0 U4 n- t) P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?
0 t! ~# \$ m, y. s* T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
' S1 h; y/ ^# E) m7 [
/ _& M! T/ V: C9 a" ]1 v& L9 F[processA-pgtable]
0x00008000 ptr1 --> a.txt
: B- d7 N7 K. p6 @0 p4 I0xa0008000 ptr2 --> a.txt

" X# N/ x* c  {8 m9 W, |( H; R[processB-pgtable]
0x00008000 ptr1 --> a.txt
0xb0008000 ptr2 --> a.txt
+ i. x( m  f. r. [
( D4 U6 K2 j. U5 _2 D% 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。
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
; H3 X6 J8 E, ~( e7 P或許有人有興趣可以回答或是深入研究
. \5 }7 |  t0 ?
7 o! K3 ?3 z! ]3 @- V[延伸想像]
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
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
( I. V& |0 l8 L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??
9 e& T. q1 e* d- J7 z+ b
$ o- z( z, e7 Z+ \, v; M8 G* C[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?