linux mmap 详解

一.前言
mmap的具体实现以前在学习内核时学习过，但是对于其中的很多函数是一知半解的，有些只能根据其函数名来猜测其具体的功能，在本文中，一起来重新深入理解其具体的实现。

二.mmap的用户层应用
void *mmap(void *start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offsize); 
具体参数含义
start ：  指向欲映射的内存起始地址，通常设为 NULL，代表让系统自动选定地址，映射成功后返回该地址。
length：  代表将文件中多大的部分映射到内存。
prot  ：  映射区域的保护方式。可以为以下几种方式的组合：
                    PROT_EXEC 映射区域可被执行
                    PROT_READ 映射区域可被读取
                    PROT_WRITE 映射区域可被写入
                    PROT_NONE 映射区域不能存取
flags ：  影响映射区域的各种特性。在调用mmap()时必须要指定MAP_SHARED 或MAP_PRIVATE。
                    MAP_FIXED 如果参数start所指的地址无法成功建立映射时，则放弃映射，不对地址做修正。通常不鼓励用此旗标。
                    MAP_SHARED 对映射区域的写入数据会复制回文件内，而且允许其他映射该文件的进程共享。
                    MAP_PRIVATE 对映射区域的写入操作会产生一个映射文件的复制，即私人的“写入时复制”（copy on write）对此区域作的任何修改都不会写回原来的文件内容。
                    MAP_ANONYMOUS建立匿名映射。此时会忽略参数fd，不涉及文件，而且映射区域无法和其他进程共享。
                    MAP_DENYWRITE只允许对映射区域的写入操作，其他对文件直接写入的操作将会被拒绝。
                    MAP_LOCKED 将映射区域锁定住，这表示该区域不会被置换（swap）。
fd    ：  要映射到内存中的文件描述符。如果使用匿名内存映射时，即flags中设置了MAP_ANONYMOUS，fd设为-1。有些系统不支持匿名内存映射，则可以使用fopen打开/dev/zero文件，
          然后对该文件进行映射，可以同样达到匿名内存映射的效果。
offset：文件映射的偏移量，通常设置为0，代表从文件最前方开始对应，offset必须是PAGE_SIZE的整数倍。

返回值：
      若映射成功则返回映射区的内存起始地址，否则返回MAP_FAILED(－1)，错误原因存于errno 中。

错误代码：
            EBADF  参数fd 不是有效的文件描述词
            EACCES 存取权限有误。如果是MAP_PRIVATE 情况下文件必须可读，使用MAP_SHARED则要有PROT_WRITE以及该文件要能写入。
            EINVAL 参数start、length 或offset有一个不合法。
            EAGAIN 文件被锁住，或是有太多内存被锁住。
            ENOMEM 内存不足。
用户层的调用很简单，其具体功能就是直接将物理内存直接映射到用户虚拟内存，使用户空间可以直接对物理空间操作。但是对于内核层而言，其具体实现比较复杂。

三.mmap的内核实现
linux mmap 详解

谨以此文纪念过往的岁月

一.前言
mmap的具体实现以前在学习内核时学习过，但是对于其中的很多函数是一知半解的，有些只能根据其函数名来猜测其具体的功能，在本文中，一起来重新深入理解其
具体的实现。

二.mmap的用户层应用
void *mmap(void *start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offsize); 
具体参数含义
start ：  指向欲映射的内存起始地址，通常设为 NULL，代表让系统自动选定地址，映射成功后返回该地址。
length：  代表将文件中多大的部分映射到内存。
prot  ：  映射区域的保护方式。可以为以下几种方式的组合：
                    PROT_EXEC 映射区域可被执行
                    PROT_READ 映射区域可被读取
                    PROT_WRITE 映射区域可被写入
                    PROT_NONE 映射区域不能存取
flags ：  影响映射区域的各种特性。在调用mmap()时必须要指定MAP_SHARED 或MAP_PRIVATE。
                    MAP_FIXED 如果参数start所指的地址无法成功建立映射时，则放弃映射，不对地址做修正。通常不鼓励用此旗标。
                    MAP_SHARED 对映射区域的写入数据会复制回文件内，而且允许其他映射该文件的进程共享。
                    MAP_PRIVATE 对映射区域的写入操作会产生一个映射文件的复制，即私人的“写入时复制”（copy on write）对此区域作的任何修改都不会写回原来的文件内容。
                    MAP_ANONYMOUS建立匿名映射。此时会忽略参数fd，不涉及文件，而且映射区域无法和其他进程共享。
                    MAP_DENYWRITE只允许对映射区域的写入操作，其他对文件直接写入的操作将会被拒绝。
                    MAP_LOCKED 将映射区域锁定住，这表示该区域不会被置换（swap）。
fd    ：  要映射到内存中的文件描述符。如果使用匿名内存映射时，即flags中设置了MAP_ANONYMOUS，fd设为-1。有些系统不支持匿名内存映射，则可以使用fopen打开/dev/zero文件，
          然后对该文件进行映射，可以同样达到匿名内存映射的效果。
offset：文件映射的偏移量，通常设置为0，代表从文件最前方开始对应，offset必须是PAGE_SIZE的整数倍。

返回值：
      若映射成功则返回映射区的内存起始地址，否则返回MAP_FAILED(－1)，错误原因存于errno 中。

错误代码：
            EBADF  参数fd 不是有效的文件描述词
            EACCES 存取权限有误。如果是MAP_PRIVATE 情况下文件必须可读，使用MAP_SHARED则要有PROT_WRITE以及该文件要能写入。
            EINVAL 参数start、length 或offset有一个不合法。
            EAGAIN 文件被锁住，或是有太多内存被锁住。
            ENOMEM 内存不足。
用户层的调用很简单，其具体功能就是直接将物理内存直接映射到用户虚拟内存，使用户空间可以直接对物理空间操作。但是对于内核层而言，其具体实现比较复杂。

三.mmap的内核实现
对于mmap的内核有了解的都会知道用户层的mmap到内核层的mmap其中多了一个参数vma_struct这个结构体，在开始时对于这个参数很疑惑就是这个参数的值是哪儿来的，
在这里我们会一一来讲述。
还是从do_mmap开始吧。
3.1 do_mmap
参数说明：
file  :就是用户层想要映射的file
addr  :欲映射的起始地址，即用户层的start
prot  :用户层传入的port
flag  :同上
offset:同上
从这里可以知道，这里面的参数几乎均是用户层传入的参数。
static inline unsigned long do_mmap(struct file *file, unsigned long addr,unsigned long len, unsigned long prot,
                                    unsigned long flag, unsigned long offset)
{
    unsigned long ret = -EINVAL;
    if ((offset + PAGE_ALIGN(len)) < offset)  --页对齐len，检测传入参数是否有误。
        goto out;
    if (!(offset & ~PAGE_MASK))           --检测offset是否页对齐。映射时只能映射页对齐的长度。
        ret = do_mmap_pgoff(file, addr, len, prot, flag, offset >> PAGE_SHIFT);  
out:
    return ret;
}

3.2 do_mmap_pgoff
这个函数是巨大的。
unsigned long do_mmap_pgoff(struct file * file, unsigned long addr,unsigned long len, unsigned long prot,unsigned long flags, unsigned long pgoff)
{
    struct mm_struct * mm = current->mm;      --当前用户进程的mm
    struct inode *inode; 
    unsigned int vm_flags;
    int error;
    int accountable = 1;
    unsigned long reqprot = prot;

    if ((prot & PROT_READ) && (current->personality & READ_IMPLIES_EXEC))   --是否隐藏了可执行属性。
        if (!(file && (file->f_path.mnt->mnt_flags & MNT_NOEXEC)))
            prot |= PROT_EXEC;

    if (!len)         
        return -EINVAL;

    if (!(flags & MAP_FIXED))              -  
        addr = round_hint_to_min(addr);    --判断输入的欲映射的起始地址是否小于最小映射地址，如果小于，将addr修改为最小地址，不过前提是MAP_FIXED旗标没有设置。

    error = arch_mmap_check(addr, len, flags);   --不同平台对于mmap参数的不同检测。这里之间返回0
    if (error)
        return error;

    len = PAGE_ALIGN(len);        --检测len是否越界，len的范围在0~TASK_SIZE之间。
    if (!len || len > TASK_SIZE)
        return -ENOMEM;             --错误值为nomem

    if ((pgoff + (len >> PAGE_SHIFT)) < pgoff)  --再次检测是否越界。我们这里不得不小心哪个晕头了传入一个莫名其妙的值
    return -EOVERFLOW;

    if (mm->map_count > sysctl_max_map_count)   --在一个进程中对于mmap个数是有限制的。超出了还是nomem的错误。
        return -ENOMEM;

    addr = get_unmapped_area(file, addr, len, pgoff, flags);  --获取没有映射的地址，这个是查询mm中空闲的内存地址，这个在下面理解。
    if (addr & ~PAGE_MASK)
        return addr;

    vm_flags = calc_vm_prot_bits(prot) | calc_vm_flag_bits(flags) | mm->def_flags |
               VM_MAYREAD | VM_MAYWRITE | VM_MAYEXEC;      --设置vm_flags，根据传入的port和flags以及mm本身自有的旗标来设置。

    if (flags & MAP_LOCKED) {       
        if (!can_do_mlock())         
            return -EPERM;
        vm_flags |= VM_LOCKED;
    }

    if (vm_flags & VM_LOCKED) {
        unsigned long locked, lock_limit;
        locked = len >> PAGE_SHIFT;
        locked += mm->locked_vm;
        lock_limit = current->signal->rlim[RLIMIT_MEMLOCK].rlim_cur;
        lock_limit >>= PAGE_SHIFT;
        if (locked > lock_limit && !capable(CAP_IPC_LOCK))
            return -EAGAIN;
    }
  --关于锁定的内存区在以后学习中再看，这里就不细看。
    inode = file ? file->f_path.dentry->d_inode : NULL;  --判断是否匿名映射，如果不是则赋值inode

    if (file) {
        switch (flags & MAP_TYPE) {   --MAP_TYPE = 0x0F type的掩码
        case MAP_SHARED:
            if ((prot&PROT_WRITE) && !(file->f_mode&FMODE_WRITE))   --file应该被打开并允许写入。
                return -EACCES;
            if (IS_APPEND(inode) && (file->f_mode & FMODE_WRITE))  --不能写入一个只允许写追加的文件
                return -EACCES;
            if (locks_verify_locked(inode))      --确保文件没有被强制锁定。
                return -EAGAIN;

            vm_flags |= VM_SHARED | VM_MAYSHARE;  --尝试允许其他进程共享。
            if (!(file->f_mode & FMODE_WRITE))    --如果file不允许写就算了，共享也没有用啊，因为file就一直固定死了，共享也没有意义。
                vm_flags &= ~(VM_MAYWRITE | VM_SHARED);
        case MAP_PRIVATE:
            if (!(file->f_mode & FMODE_READ))
                return -EACCES;
            if (file->f_path.mnt->mnt_flags & MNT_NOEXEC) {
                if (vm_flags & VM_EXEC)
                    return -EPERM;
                vm_flags &= ~VM_MAYEXEC;
            }
            if (is_file_hugepages(file))
                accountable = 0;

            if (!file->f_op || !file->f_op->mmap)
                return -ENODEV;
            break;

        default:
            return -EINVAL;
        }
    } else {
        switch (flags & MAP_TYPE) {
        case MAP_SHARED:
            pgoff = 0;
            vm_flags |= VM_SHARED | VM_MAYSHARE;
            break;
        case MAP_PRIVATE:
            pgoff = addr >> PAGE_SHIFT;
            break;
        default:
            return -EINVAL;
        }
    }
  --上面就是对一些旗标进行检测，防止出现旗标冲突，比如我欲映射的文件不允许写，而我映射的旗标却设定是可写并可以共享的，这个就冲突了。
    error = security_file_mmap(file, reqprot, prot, flags, addr, 0);   --这个函数就忽略了。
    if (error)
        return error;

    return mmap_region(file, addr, len, flags, vm_flags, pgoff,accountable);  --最后一个参数为是否为大页，如果是的就为0.其余的参数都好理解。
}

3.3 get_unmapped_area
这个是获取没有被映射的内存区
unsigned long get_unmapped_area(struct file *file, unsigned long addr, unsigned long len,unsigned long pgoff, unsigned long flags)
{
    unsigned long (*get_area)(struct file *, unsigned long,unsigned long, unsigned long, unsigned long);
    get_area = current->mm->get_unmapped_area;
    if (file && file->f_op && file->f_op->get_unmapped_area)
        get_area = file->f_op->get_unmapped_area;
    addr = get_area(file, addr, len, pgoff, flags);
    if (IS_ERR_VALUE(addr))
        return addr;

    if (addr > TASK_SIZE - len)
        return -ENOMEM;
    if (addr & ~PAGE_MASK)
        return -EINVAL;

    return arch_rebalance_pgtables(addr, len);
}
对于get_area函数我们以arch_get_unmapped_area为例来看如何查找一个空闲的mmap area
unsigned long arch_get_unmapped_area(struct file *filp, unsigned long addr,unsigned long len, unsigned long pgoff, unsigned long flags)
{
    struct mm_struct *mm = current->mm;
    struct vm_area_struct *vma;
    unsigned long start_addr;

    if (len > TASK_SIZE)
        return -ENOMEM;

    if (flags & MAP_FIXED)    --还记否这个MAP_FIXED是什么含义不？
        return addr;

    if (addr) {
        addr = PAGE_ALIGN(addr);
        vma = find_vma(mm, addr); --vma为NULL即addr的地址不在任一个VMA(vma->vm_start~vma->vm_end) addr的地址没有被映射，
                                    而且空洞足够我们这次的映射，那么返回addr以准备这次的映射
        if (TASK_SIZE - len >= addr &&(!vma || addr + len <= vma->vm_start))
            return addr;
    }
    if (len > mm->cached_hole_size) { --如果所需的长度大于当前vma之间的空洞长度
            start_addr = addr = mm->free_area_cache;
    } else {
            start_addr = addr = TASK_UNMAPPED_BASE;  --需要的长度小于当前空洞，为了不至于时间浪费，那么从0开始搜寻，
                                                       这里的搜寻基地址TASK_UNMAPPED_BASE很重要，用户mmap的地址的基地址必须在TASK_UNMAPPED_BASE之上，
                                                       但是一定这样严格 吗？看上面的if (addr)判断，如果用户给了一个地址在TASK_UNMAPPED_BASE之下，
                                                       映射实际上还是会发生的。
            mm->cached_hole_size = 0;
    }

full_search:
    for (vma = find_vma(mm, addr); ; vma = vma->vm_next) {
        if (TASK_SIZE - len < addr) {
            if (start_addr != TASK_UNMAPPED_BASE) {
                addr = TASK_UNMAPPED_BASE;
              start_addr = addr;
                mm->cached_hole_size = 0;
                goto full_search;
            }
            return -ENOMEM;
        }
    
        if (!vma || addr + len <= vma->vm_start) {        --如果第一次find_vma返回值即为NULL ，vma没有被映射并且空洞足够映射
                                                        !vma的条件只有可能在循环的第一次满足，在其后不可能满足，在其后的判断条件即为
                                                         vma->vma_end~vma->vma_next->vma_start之间的空洞大小大于所需要映射的长度即可，
                                                         下面判断条件中的addr为vma->vma_end,而vma->vm_start为vma->vma_next->vma_start
            mm->free_area_cache = addr + len;
            return addr;
        }
        if (addr + mm->cached_hole_size < vma->vm_start)  --在循环的第一次如果vma不为NULL，不会满足下面的条件，在以后循环中mm->cached_hole_size 
                                                            则为该次vma->vm_start 与上一次的vma->vm_end之间的差值

                mm->cached_hole_size = vma->vm_start - addr;
        addr = vma->vm_end;
    }
}
还记否以前看的红黑树，这里就现实的用了红黑树的算法。关于这个我们就不看了。
struct vm_area_struct * find_vma(struct mm_struct * mm, unsigned long addr)
{
    struct vm_area_struct *vma = NULL;

    if (mm) {
        vma = mm->mmap_cache;
        if (!(vma && vma->vm_end > addr && vma->vm_start <= addr)) {
            struct rb_node * rb_node;
            rb_node = mm->mm_rb.rb_node;
            vma = NULL;
            while (rb_node) {
                struct vm_area_struct * vma_tmp;

                vma_tmp = rb_entry(rb_node,struct vm_area_struct, vm_rb);
                if (vma_tmp->vm_end > addr) {
                    vma = vma_tmp;
                    if (vma_tmp->vm_start <= addr)
                        break;
                    rb_node = rb_node->rb_left;
                } else
                    rb_node = rb_node->rb_right;
            }
            if (vma)
                mm->mmap_cache = vma;
        }
    }
    return vma;
}

3.4 mmap_region
unsigned long mmap_region(struct file *file, unsigned long addr,unsigned long len, unsigned long flags,
                                unsigned int vm_flags, unsigned long pgoff,int accountable)
{
    struct mm_struct *mm = current->mm;
    struct vm_area_struct *vma, *prev;
    struct vm_area_struct *merged_vma;
    int correct_wcount = 0;
    int error;
    struct rb_node **rb_link, *rb_parent;
    unsigned long charged = 0;
    struct inode *inode =  file ? file->f_path.dentry->d_inode : NULL;

    /* Clear old maps */
    error = -ENOMEM;
munmap_back:
    vma = find_vma_prepare(mm, addr, &prev, &rb_link, &rb_parent); --函数find_vma_prepare()与find_vma()基本相同，它扫描当前进程地址空间的vm_area_struct
                                                                     结构所形成的红黑树，试图找到结束地址高于addr的第一个区间；如果找到了一个虚拟区，
                                                                     说明addr所在的虚拟区已经在使用，也就是已经有映射存在，因此要调用do_munmap()
                                                                     把这个老的虚拟区从进程地址空间中撤销，如果撤销不成功，就返回一个负数；
                                                                     如果撤销成功，就继续查找，直到在红黑树中找不到addr所在的虚拟区
    if (vma && vma->vm_start < addr + len) {
        if (do_munmap(mm, addr, len))
            return -ENOMEM;
        goto munmap_back;
    }
    if (!may_expand_vm(mm, len >> PAGE_SHIFT))                   -- 页数和超过限定值返回 0 ，不超过返回1
        return -ENOMEM;

    if (flags & MAP_NORESERVE)                             -- 如果flags参数中没有设置MAP_NORESERVE标志，新的虚拟区含有私有的可写页，空闲页面数小于要映射的虚拟区
                                                              的大小；则函数终止并返回一个负数；其中函数security_vm_enough_memory()用来检查一个
                                                              进程的地址空间中是否有足够的内存来进行一个新的映射
        vm_flags |= VM_NORESERVE;

    if (accountable && (!(flags & MAP_NORESERVE) ||
                sysctl_overcommit_memory == OVERCOMMIT_NEVER)) {
        if (vm_flags & VM_SHARED) {
            /* Check memory availability in shmem_file_setup? */
            vm_flags |= VM_ACCOUNT;
        } else if (vm_flags & VM_WRITE) {
            charged = len >> PAGE_SHIFT;
            if (security_vm_enough_memory(charged))
                return -ENOMEM;
            vm_flags |= VM_ACCOUNT;
        }
    }
    if (!file && !(vm_flags & VM_SHARED)) { --如果是匿名映射（file为空），并且这个虚拟区是非共享的，则可以把这个虚拟区和与它紧挨的前一个虚拟区进行合并；
                                              虚拟区的合并是由vma_merge()函数实现的。如果合并成功，则转out处，请看后面out处的代码。
        vma = vma_merge(mm, prev, addr, addr + len, vm_flags,
                    NULL, NULL, pgoff, NULL);
        if (vma)
            goto out;
    }
    vma = kmem_cache_zalloc(vm_area_cachep, GFP_KERNEL);
    if (!vma) {
        error = -ENOMEM;
        goto unacct_error;
    }

    vma->vm_mm = mm;
    vma->vm_start = addr;
    vma->vm_end = addr + len;
    vma->vm_flags = vm_flags;
    vma->vm_page_prot = vm_get_page_prot(vm_flags);
    vma->vm_pgoff = pgoff;

    if (file) {
        error = -EINVAL;
        if (vm_flags & (VM_GROWSDOWN|VM_GROWSUP))
            goto free_vma;
        if (vm_flags & VM_DENYWRITE) {
            error = deny_write_access(file);
            if (error)
                goto free_vma;
            correct_wcount = 1;
        }
        vma->vm_file = file;
        get_file(file);
        error = file->f_op->mmap(file, vma);    -- (⊙o⊙)哦 ，终于可以调用设备文件中真正的mmap
        if (error)
            goto unmap_and_free_vma;
        if (vm_flags & VM_EXECUTABLE)
            added_exe_file_vma(mm);
    } else if (vm_flags & VM_SHARED) {
        error = shmem_zero_setup(vma);
        if (error)
            goto free_vma;
    }
如果建立的是从文件到虚存区间的映射，则：
1.当参数flags中的VM_GROWSDOWN或VM_GROWSUP标志位为1时，说明这个区间可以向低地址或高地址扩展，但从文件映射的区间不能进行扩展，因此转到free_vma，释放给vm_area_struct分配的Slab，并返回一个错误；
2.当flags中的VM_DENYWRITE标志位为1时，就表示不允许通过常规的文件操作访问该文件，所以要调用deny_write_access（）排斥常规的文件操作（参见第八章）。
3.get_file（）函数的主要作用是递增file结构中的共享计数；
4.每个文件系统都有个fiel_operation数据结构，其中的函数指针mmap提供了用来建立从该类文件到虚存区间进行映射的操作，这是最具有实质意义的函数；对于大部分文件系统，这个函数为generic_file_mmap( )函数实现的，该函数执行以下操作：
        (1)初始化vm_area_struct结构中的vm_ops域。如果VM_SHARED标志为1，就把该域设置成file_shared_mmap，否则就把该域设置成file_private_mmap。从某种意义上说，这个步骤所做的事情类似于打开一个文件并初始化文件对象的方法。
        (2)从索引节点的i_mode域（参见第八章）检查要映射的文件是否是一个常规文件。如果是其他类型的文件（例如目录或套接字），就返回一个错误代码。
        (3)从索引节点的i_op域中检查是否定义了readpage( )的索引节点操作。如果没有定义，就返回一个错误代码。
        (4)调用update_atime( )函数把当前时间存放在该文件索引节点的i_atime域中，并将这个索引节点标记成脏。
5.如果flags参数中的MAP_SHARED标志位为1，则调用shmem_zero_setup（）进行共享内存的映射。

    if ((vm_flags & (VM_SHARED|VM_ACCOUNT)) == (VM_SHARED|VM_ACCOUNT))
        vma->vm_flags &= ~VM_ACCOUNT;

    addr = vma->vm_start;
    pgoff = vma->vm_pgoff;
    vm_flags = vma->vm_flags;

    if (vma_wants_writenotify(vma))
        vma->vm_page_prot = vm_get_page_prot(vm_flags & ~VM_SHARED);

    merged_vma = NULL;
    if (file)
        merged_vma = vma_merge(mm, prev, addr, vma->vm_end,
            vma->vm_flags, NULL, file, pgoff, vma_policy(vma));
    if (merged_vma) {
        mpol_put(vma_policy(vma));
        kmem_cache_free(vm_area_cachep, vma);
        fput(file);
        if (vm_flags & VM_EXECUTABLE)
            removed_exe_file_vma(mm);
        vma = merged_vma;
    } else {
        vma_link(mm, vma, prev, rb_link, rb_parent);
        file = vma->vm_file;
    }
此时，把新建的虚拟区插入到进程的地址空间，这是由函数vma_link（）完成的，该函数具有三方面的功能：
（1）把vma 插入到虚拟区链表中
（2）把vma插入到虚拟区形成的红黑树中
（3）把vam插入到索引节点（inode）共享链表中
函数atomic_inc（x）给*x加1，这是一个原子操作。在内核代码中，有很多地方调用了以atomic为前缀的函数。原子操作，在操作过程中不会被中断。

    if (correct_wcount)
        atomic_inc(&inode->i_writecount);
out:
    mm->total_vm += len >> PAGE_SHIFT;
    vm_stat_account(mm, vm_flags, file, len >> PAGE_SHIFT);
    if (vm_flags & VM_LOCKED) {
        long nr_pages = mlock_vma_pages_range(vma, addr, addr + len);
        if (nr_pages < 0)
            return nr_pages;    /* vma gone! */
        mm->locked_vm += (len >> PAGE_SHIFT) - nr_pages;
    } else if ((flags & MAP_POPULATE) && !(flags & MAP_NONBLOCK))
        make_pages_present(addr, addr + len);
    return addr;

unmap_and_free_vma:
    if (correct_wcount)
        atomic_inc(&inode->i_writecount);
    vma->vm_file = NULL;
    fput(file);

    unmap_region(mm, vma, prev, vma->vm_start, vma->vm_end);
    charged = 0;
free_vma:
    kmem_cache_free(vm_area_cachep, vma);
unacct_error:
    if (charged)
        vm_unacct_memory(charged);
    return error;
}

ok！到此mmap的内核核心就可以了，关于具体的mmap的实现，以后再看。

四.总结
mmap的实质是什么，其实就是从每一个进程中的用户空间分配一段空间用于映射。这里面的机关重重，需要好好理解，不过谨记一点，进程的vma_struct是采用了红黑树
来管理的。对于每一段的内存区都会有一个vma_struct来描述，比如数据区，code区等等，以及mmap所需要的一段内存区。
对于mmap的内核有了解的都会知道用户层的mmap到内核层的mmap其中多了一个参数vma_struct这个结构体，在开始时对于这个参数很疑惑就是这个参数的值是哪儿来的，
在这里我们会一一来讲述。
还是从do_mmap开始吧。
3.1 do_mmap
参数说明：
file  :就是用户层想要映射的file
addr  :欲映射的起始地址，即用户层的start
prot  :用户层传入的port
flag  :同上
offset:同上
从这里可以知道，这里面的参数几乎均是用户层传入的参数。
static inline unsigned long do_mmap(struct file *file, unsigned long addr,unsigned long len, unsigned long prot,
                                    unsigned long flag, unsigned long offset)
{
    unsigned long ret = -EINVAL;
    if ((offset + PAGE_ALIGN(len)) < offset)  --页对齐len，检测传入参数是否有误。
        goto out;
    if (!(offset & ~PAGE_MASK))           --检测offset是否页对齐。映射时只能映射页对齐的长度。
        ret = do_mmap_pgoff(file, addr, len, prot, flag, offset >> PAGE_SHIFT);  
out:
    return ret;
}

3.2 do_mmap_pgoff
这个函数是巨大的。
unsigned long do_mmap_pgoff(struct file * file, unsigned long addr,unsigned long len, unsigned long prot,unsigned long flags, unsigned long pgoff)
{
    struct mm_struct * mm = current->mm;      --当前用户进程的mm
    struct inode *inode; 
    unsigned int vm_flags;
    int error;
    int accountable = 1;
    unsigned long reqprot = prot;

    if ((prot & PROT_READ) && (current->personality & READ_IMPLIES_EXEC))   --是否隐藏了可执行属性。
        if (!(file && (file->f_path.mnt->mnt_flags & MNT_NOEXEC)))
            prot |= PROT_EXEC;

    if (!len)         
        return -EINVAL;

    if (!(flags & MAP_FIXED))              -  
        addr = round_hint_to_min(addr);    --判断输入的欲映射的起始地址是否小于最小映射地址，如果小于，将addr修改为最小地址，不过前提是MAP_FIXED旗标没有设置。

    error = arch_mmap_check(addr, len, flags);   --不同平台对于mmap参数的不同检测。这里之间返回0
    if (error)
        return error;

    len = PAGE_ALIGN(len);        --检测len是否越界，len的范围在0~TASK_SIZE之间。
    if (!len || len > TASK_SIZE)
        return -ENOMEM;             --错误值为nomem

    if ((pgoff + (len >> PAGE_SHIFT)) < pgoff)  --再次检测是否越界。我们这里不得不小心哪个晕头了传入一个莫名其妙的值
    return -EOVERFLOW;

    if (mm->map_count > sysctl_max_map_count)   --在一个进程中对于mmap个数是有限制的。超出了还是nomem的错误。
        return -ENOMEM;

    addr = get_unmapped_area(file, addr, len, pgoff, flags);  --获取没有映射的地址，这个是查询mm中空闲的内存地址，这个在下面理解。
    if (addr & ~PAGE_MASK)
        return addr;

    vm_flags = calc_vm_prot_bits(prot) | calc_vm_flag_bits(flags) | mm->def_flags |
               VM_MAYREAD | VM_MAYWRITE | VM_MAYEXEC;      --设置vm_flags，根据传入的port和flags以及mm本身自有的旗标来设置。

    if (flags & MAP_LOCKED) {       
        if (!can_do_mlock())         
            return -EPERM;
        vm_flags |= VM_LOCKED;
    }

    if (vm_flags & VM_LOCKED) {
        unsigned long locked, lock_limit;
        locked = len >> PAGE_SHIFT;
        locked += mm->locked_vm;
        lock_limit = current->signal->rlim[RLIMIT_MEMLOCK].rlim_cur;
        lock_limit >>= PAGE_SHIFT;
        if (locked > lock_limit && !capable(CAP_IPC_LOCK))
            return -EAGAIN;
    }
  --关于锁定的内存区在以后学习中再看，这里就不细看。
    inode = file ? file->f_path.dentry->d_inode : NULL;  --判断是否匿名映射，如果不是则赋值inode

    if (file) {
        switch (flags & MAP_TYPE) {   --MAP_TYPE = 0x0F type的掩码
        case MAP_SHARED:
            if ((prot&PROT_WRITE) && !(file->f_mode&FMODE_WRITE))   --file应该被打开并允许写入。
                return -EACCES;
            if (IS_APPEND(inode) && (file->f_mode & FMODE_WRITE))  --不能写入一个只允许写追加的文件
                return -EACCES;
            if (locks_verify_locked(inode))      --确保文件没有被强制锁定。
                return -EAGAIN;

            vm_flags |= VM_SHARED | VM_MAYSHARE;  --尝试允许其他进程共享。
            if (!(file->f_mode & FMODE_WRITE))    --如果file不允许写就算了，共享也没有用啊，因为file就一直固定死了，共享也没有意义。
                vm_flags &= ~(VM_MAYWRITE | VM_SHARED);
        case MAP_PRIVATE:
            if (!(file->f_mode & FMODE_READ))
                return -EACCES;
            if (file->f_path.mnt->mnt_flags & MNT_NOEXEC) {
                if (vm_flags & VM_EXEC)
                    return -EPERM;
                vm_flags &= ~VM_MAYEXEC;
            }
            if (is_file_hugepages(file))
                accountable = 0;

            if (!file->f_op || !file->f_op->mmap)
                return -ENODEV;
            break;

        default:
            return -EINVAL;
        }
    } else {
        switch (flags & MAP_TYPE) {
        case MAP_SHARED:
            pgoff = 0;
            vm_flags |= VM_SHARED | VM_MAYSHARE;
            break;
        case MAP_PRIVATE:
            pgoff = addr >> PAGE_SHIFT;
            break;
        default:
            return -EINVAL;
        }
    }
  --上面就是对一些旗标进行检测，防止出现旗标冲突，比如我欲映射的文件不允许写，而我映射的旗标却设定是可写并可以共享的，这个就冲突了。
    error = security_file_mmap(file, reqprot, prot, flags, addr, 0);   --这个函数就忽略了。
    if (error)
        return error;

    return mmap_region(file, addr, len, flags, vm_flags, pgoff,accountable);  --最后一个参数为是否为大页，如果是的就为0.其余的参数都好理解。
}

3.3 get_unmapped_area
这个是获取没有被映射的内存区
unsigned long get_unmapped_area(struct file *file, unsigned long addr, unsigned long len,unsigned long pgoff, unsigned long flags)
{
    unsigned long (*get_area)(struct file *, unsigned long,unsigned long, unsigned long, unsigned long);
    get_area = current->mm->get_unmapped_area;
    if (file && file->f_op && file->f_op->get_unmapped_area)
        get_area = file->f_op->get_unmapped_area;
    addr = get_area(file, addr, len, pgoff, flags);
    if (IS_ERR_VALUE(addr))
        return addr;

    if (addr > TASK_SIZE - len)
        return -ENOMEM;
    if (addr & ~PAGE_MASK)
        return -EINVAL;

    return arch_rebalance_pgtables(addr, len);
}
对于get_area函数我们以arch_get_unmapped_area为例来看如何查找一个空闲的mmap area
unsigned long arch_get_unmapped_area(struct file *filp, unsigned long addr,unsigned long len, unsigned long pgoff, unsigned long flags)
{
    struct mm_struct *mm = current->mm;
    struct vm_area_struct *vma;
    unsigned long start_addr;

    if (len > TASK_SIZE)
        return -ENOMEM;

    if (flags & MAP_FIXED)    --还记否这个MAP_FIXED是什么含义不？
        return addr;

    if (addr) {
        addr = PAGE_ALIGN(addr);
        vma = find_vma(mm, addr); --vma为NULL即addr的地址不在任一个VMA(vma->vm_start~vma->vm_end) addr的地址没有被映射，而且空洞足够我们这次的映射，那么返回addr以准备这次的映射
        if (TASK_SIZE - len >= addr &&(!vma || addr + len <= vma->vm_start))
            return addr;
    }
    if (len > mm->cached_hole_size) { --如果所需的长度大于当前vma之间的空洞长度
            start_addr = addr = mm->free_area_cache;
    } else {
            start_addr = addr = TASK_UNMAPPED_BASE;  --需要的长度小于当前空洞，为了不至于时间浪费，那么从0开始搜寻，这里的搜寻基地址TASK_UNMAPPED_BASE很重要，用户mmap的地址的基地址必须在TASK_UNMAPPED_BASE之上，但是一定这样严格 吗？看上面的if (addr)判断，如果用户给了一个地址在TASK_UNMAPPED_BASE之下，  映射实际上还是会发生的。
            mm->cached_hole_size = 0;
    }

full_search:
    for (vma = find_vma(mm, addr); ; vma = vma->vm_next) {
        if (TASK_SIZE - len < addr) {
            if (start_addr != TASK_UNMAPPED_BASE) {
                addr = TASK_UNMAPPED_BASE;
              start_addr = addr;
                mm->cached_hole_size = 0;
                goto full_search;
            }
            return -ENOMEM;
        }
    
        if (!vma || addr + len <= vma->vm_start) {        --如果第一次find_vma返回值即为NULL ，vma没有被映射并且空洞足够映射  !vma的条件只有可能在循环的第一次满足，在其后不可能满足，在其后的判断条件即为，vma->vma_end~vma->vma_next->vma_start之间的空洞大小大于所需要映射的长度即可，下面判断条件中的addr为vma->vma_end,而vma->vm_start为vma->vma_next->vma_start
            mm->free_area_cache = addr + len;
            return addr;
        }
        if (addr + mm->cached_hole_size < vma->vm_start)  --在循环的第一次如果vma不为NULL，不会满足下面的条件，在以后循环中mm->cached_hole_size 则为该次vma->vm_start 与上一次的vma->vm_end之间的差值

                mm->cached_hole_size = vma->vm_start - addr;
        addr = vma->vm_end;
    }
}
还记否以前看的红黑树，这里就现实的用了红黑树的算法。关于这个我们就不看了。
struct vm_area_struct * find_vma(struct mm_struct * mm, unsigned long addr)
{
    struct vm_area_struct *vma = NULL;

    if (mm) {
        vma = mm->mmap_cache;
        if (!(vma && vma->vm_end > addr && vma->vm_start <= addr)) {
            struct rb_node * rb_node;
            rb_node = mm->mm_rb.rb_node;
            vma = NULL;
            while (rb_node) {
                struct vm_area_struct * vma_tmp;

                vma_tmp = rb_entry(rb_node,struct vm_area_struct, vm_rb);
                if (vma_tmp->vm_end > addr) {
                    vma = vma_tmp;
                    if (vma_tmp->vm_start <= addr)
                        break;
                    rb_node = rb_node->rb_left;
                } else
                    rb_node = rb_node->rb_right;
            }
            if (vma)
                mm->mmap_cache = vma;
        }
    }
    return vma;
}

3.4 mmap_region
unsigned long mmap_region(struct file *file, unsigned long addr,unsigned long len, unsigned long flags,
                                unsigned int vm_flags, unsigned long pgoff,int accountable)
{
    struct mm_struct *mm = current->mm;
    struct vm_area_struct *vma, *prev;
    struct vm_area_struct *merged_vma;
    int correct_wcount = 0;
    int error;
    struct rb_node **rb_link, *rb_parent;
    unsigned long charged = 0;
    struct inode *inode =  file ? file->f_path.dentry->d_inode : NULL;

    /* Clear old maps */
    error = -ENOMEM;
munmap_back:
    vma = find_vma_prepare(mm, addr, &prev, &rb_link, &rb_parent); --函数find_vma_prepare()与find_vma()基本相同，它扫描当前进程地址空间的vm_area_struct结构所形成的红黑树，试图找到结束地址高于addr的第一个区间；如果找到了一个虚拟区，说明addr所在的虚拟区已经在使用，也就是已经有映射存在，因此要调用do_munmap() 把这个老的虚拟区从进程地址空间中撤销，如果撤销不成功，就返回一个负数；如果撤销成功，就继续查找，直到在红黑树中找不到addr所在的虚拟区
    if (vma && vma->vm_start < addr + len) {
        if (do_munmap(mm, addr, len))
            return -ENOMEM;
        goto munmap_back;
    }
    if (!may_expand_vm(mm, len >> PAGE_SHIFT))                   -- 页数和超过限定值返回 0 ，不超过返回1
        return -ENOMEM;

    if (flags & MAP_NORESERVE)                             -- 如果flags参数中没有设置MAP_NORESERVE标      志，新的虚拟区含有私有的可写页，空闲页面数小于要映射的虚拟区的大小；则函数终止并返回一个负数；其中函数security_vm_enough_memory()用来检查一个进程的地址空间中是否有足够的内存来进行一个新的映射
        vm_flags |= VM_NORESERVE;

    if (accountable && (!(flags & MAP_NORESERVE) ||
                sysctl_overcommit_memory == OVERCOMMIT_NEVER)) {
        if (vm_flags & VM_SHARED) {
            /* Check memory availability in shmem_file_setup? */
            vm_flags |= VM_ACCOUNT;
        } else if (vm_flags & VM_WRITE) {
            charged = len >> PAGE_SHIFT;
            if (security_vm_enough_memory(charged))
                return -ENOMEM;
            vm_flags |= VM_ACCOUNT;
        }
    }
    if (!file && !(vm_flags & VM_SHARED)) { --如果是匿名映射（file为空），并且这个虚拟区是非共享的，则可以把这个虚拟区和与它紧挨的前一个虚拟区进行合并；
                                              虚拟区的合并是由vma_merge()函数实现的。如果合并成功，则转out处，请看后面out处的代码。
        vma = vma_merge(mm, prev, addr, addr + len, vm_flags,
                    NULL, NULL, pgoff, NULL);
        if (vma)
            goto out;
    }
    vma = kmem_cache_zalloc(vm_area_cachep, GFP_KERNEL);
    if (!vma) {
        error = -ENOMEM;
        goto unacct_error;
    }

    vma->vm_mm = mm;
    vma->vm_start = addr;
    vma->vm_end = addr + len;
    vma->vm_flags = vm_flags;
    vma->vm_page_prot = vm_get_page_prot(vm_flags);
    vma->vm_pgoff = pgoff;

    if (file) {
        error = -EINVAL;
        if (vm_flags & (VM_GROWSDOWN|VM_GROWSUP))
            goto free_vma;
        if (vm_flags & VM_DENYWRITE) {
            error = deny_write_access(file);
            if (error)
                goto free_vma;
            correct_wcount = 1;
        }
        vma->vm_file = file;
        get_file(file);
        error = file->f_op->mmap(file, vma);    -- (⊙o⊙)哦 ，终于可以调用设备文件中真正的mmap
        if (error)
            goto unmap_and_free_vma;
        if (vm_flags & VM_EXECUTABLE)
            added_exe_file_vma(mm);
    } else if (vm_flags & VM_SHARED) {
        error = shmem_zero_setup(vma);
        if (error)
            goto free_vma;
    }
如果建立的是从文件到虚存区间的映射，则：
1.当参数flags中的VM_GROWSDOWN或VM_GROWSUP标志位为1时，说明这个区间可以向低地址或高地址扩展，但从文件映射的区间不能进行扩展，因此转到free_vma，释放给vm_area_struct分配的Slab，并返回一个错误；
2.当flags中的VM_DENYWRITE标志位为1时，就表示不允许通过常规的文件操作访问该文件，所以要调用deny_write_access（）排斥常规的文件操作（参见第八章）。
3.get_file（）函数的主要作用是递增file结构中的共享计数；
4.每个文件系统都有个fiel_operation数据结构，其中的函数指针mmap提供了用来建立从该类文件到虚存区间进行映射的操作，这是最具有实质意义的函数；对于大部分文件系统，这个函数为generic_file_mmap( )函数实现的，该函数执行以下操作：
        (1)初始化vm_area_struct结构中的vm_ops域。如果VM_SHARED标志为1，就把该域设置成file_shared_mmap，否则就把该域设置成file_private_mmap。从某种意义上说，这个步骤所做的事情类似于打开一个文件并初始化文件对象的方法。
        (2)从索引节点的i_mode域（参见第八章）检查要映射的文件是否是一个常规文件。如果是其他类型的文件（例如目录或套接字），就返回一个错误代码。
        (3)从索引节点的i_op域中检查是否定义了readpage( )的索引节点操作。如果没有定义，就返回一个错误代码。
        (4)调用update_atime( )函数把当前时间存放在该文件索引节点的i_atime域中，并将这个索引节点标记成脏。
5.如果flags参数中的MAP_SHARED标志位为1，则调用shmem_zero_setup（）进行共享内存的映射。

    if ((vm_flags & (VM_SHARED|VM_ACCOUNT)) == (VM_SHARED|VM_ACCOUNT))
        vma->vm_flags &= ~VM_ACCOUNT;

    addr = vma->vm_start;
    pgoff = vma->vm_pgoff;
    vm_flags = vma->vm_flags;

    if (vma_wants_writenotify(vma))
        vma->vm_page_prot = vm_get_page_prot(vm_flags & ~VM_SHARED);

    merged_vma = NULL;
    if (file)
        merged_vma = vma_merge(mm, prev, addr, vma->vm_end,
            vma->vm_flags, NULL, file, pgoff, vma_policy(vma));
    if (merged_vma) {
        mpol_put(vma_policy(vma));
        kmem_cache_free(vm_area_cachep, vma);
        fput(file);
        if (vm_flags & VM_EXECUTABLE)
            removed_exe_file_vma(mm);
        vma = merged_vma;
    } else {
        vma_link(mm, vma, prev, rb_link, rb_parent);
        file = vma->vm_file;
    }
此时，把新建的虚拟区插入到进程的地址空间，这是由函数vma_link（）完成的，该函数具有三方面的功能：
（1）把vma 插入到虚拟区链表中
（2）把vma插入到虚拟区形成的红黑树中
（3）把vam插入到索引节点（inode）共享链表中
函数atomic_inc（x）给*x加1，这是一个原子操作。在内核代码中，有很多地方调用了以atomic为前缀的函数。原子操作，在操作过程中不会被中断。

    if (correct_wcount)
        atomic_inc(&inode->i_writecount);
out:
    mm->total_vm += len >> PAGE_SHIFT;
    vm_stat_account(mm, vm_flags, file, len >> PAGE_SHIFT);
    if (vm_flags & VM_LOCKED) {
        long nr_pages = mlock_vma_pages_range(vma, addr, addr + len);
        if (nr_pages < 0)
            return nr_pages;    /* vma gone! */
        mm->locked_vm += (len >> PAGE_SHIFT) - nr_pages;
    } else if ((flags & MAP_POPULATE) && !(flags & MAP_NONBLOCK))
        make_pages_present(addr, addr + len);
    return addr;

unmap_and_free_vma:
    if (correct_wcount)
        atomic_inc(&inode->i_writecount);
    vma->vm_file = NULL;
    fput(file);

    unmap_region(mm, vma, prev, vma->vm_start, vma->vm_end);
    charged = 0;
free_vma:
    kmem_cache_free(vm_area_cachep, vma);
unacct_error:
    if (charged)
        vm_unacct_memory(charged);
    return error;
}

ok！到此mmap的内核核心就可以了，关于具体的mmap的实现，以后再看。

四.总结
mmap的实质是什么，其实就是从每一个进程中的用户空间分配一段空间用于映射。这里面的机关重重，需要好好理解，不过谨记一点，进程的vma_struct是采用了红黑树
来管理的。对于每一段的内存区都会有一个vma_struct来描述，比如数据区，code区等等，以及mmap所需要的一段内存区。