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 ~. c# o4 B" @, e1 d* c2 M% D讓programmer能夠感受到MMU這個硬體在系統中所扮演的角色
' h2 k" k" s( i6 R" r2 m
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
" {! W1 {0 N7 N% d) ~) I8 X0 D8 |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?
  E0 d6 o* q* z: y% r  g( E  c
mmap的字面意義是memory map
顧名思義就是『記憶體映對』
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
就等於對檔案作存取
) H- ?# T8 d6 F( A$ `) N2 H
  ~- |6 H, h8 a" q* T4 x1. 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;
" _+ L; B+ m7 x4 r9 ?char* ptr;

mapSize = 0x1000; /* 希望映對多大的區塊 */
9 {- \3 V1 p7 P3 q& A. doffset = 0;
start = 0;
/* 打開檔案 */
5 Q& F! j1 K% g# r8 ~4 Dfd = open( "/home/tester/a.txt", O_RDWR | O_SYNC );  
$ V4 |8 i' ]) x' K0 ^/* 作mmap動作，取得一個對應好的address */
0 K2 L# w; F% l' `ptr = mmap( 0, map_size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, offset );
" k: X1 r( ]/ l5 s+ ^$ B$ e
1 y- y+ h! i4 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，
0 w3 E0 {' l; e& Z' k5 H- W+ E如果這時候我們用 strcpy( ptr, "hello!!" );
4 N' k0 ~7 J" k+ {1 |. N% L
a.txt裡面就會被寫入"hello!!"的字串
2 p! ]' X$ u6 w6 a2 N7 q: T
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?

8 L9 a6 A" k1 A0 x: J( N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。
5 @1 i! X. k0 Pwhy?  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。
4 N7 Q( M+ k4 w; a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。

  P& {9 b) e& @0 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?

3 y. ^" t/ j) l; C' ]1 D1 X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。
! k  ]- A2 q: y3 g2 u# B$ q
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。
: }( O/ V+ H0 ]% r( 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

9 O* x( }& X: K) ^5 i1 ][processA-pgtable]
0x00008000 ptr1 --> a.txt
$ h/ s9 C2 N& B0 u0xa0008000 ptr2 --> a.txt
1 ~; J6 W% {& P/ r/ ~
2 K) \; \* V5 ^" \" ^% D# X[processB-pgtable]
0x00008000 ptr1 --> a.txt
9 ?8 B) J) p( H0xb0008000 ptr2 --> a.txt
$ o% g& L+ [; ?6 G
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。
6 n) J2 O' Q) i0 `3 ]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

9 [$ ]/ }( N; O  C[延伸想像]
* r! b; R6 i# ~  m我們又可以仔細想想假如每個process都有各自的table
# _" ?) i# y6 ?8 @  {8 }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 q# _: S  x# I5 c9 R. [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?
# M' K9 k* d4 {kernel和user program的page table有什麼不同??

) E) A8 o4 m6 r: _% S$ a" D[延伸想像]
- H# [2 g# [; q! s/ L3 y! {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?