mmap原理及流程(kernel 4.1版本)

背景

最近在分析问题时，遇到了mmap fb设备失败问题，顺便看了下4.1版本内核中的mmap相关流程，以前看过老版本的，有些忘记了，这里权当记录，供后续参考。

mmap是什么？

相信做过Linux开发的兄弟都或多或少用过，或者听说过mmap，但可能并不完全了解mmap的作用。

mmap字面上是内存映射的意思，听起来比较抽象，其用法有很多，但总结起来，主要是如下两个用途：

1. 将文件内容映射到进程用户态的虚拟地址空间中，如此，进程就可以通过读写相应的虚拟地址空间内容，而直接读写相应文件中的内容。如此映射最大的好处是，进程可以直接从用户态访问文件中的数据，而不需要用户态和内核态之间的内存拷贝操作(正常流程下，如果想要向文件中写数据，需要将数据从用户态拷贝到内核态，然后再从内核态写入文件)，相当于少了一次内存拷贝操作，这也是人们常说的零拷贝技术之一。当然，这里的文件不限于普通文件，Unix环境中，一切皆文件嘛，这里的文件完全可能是特殊文件，比如设备文件，那相应的mmap操作就需要单独的驱动实现了。
2. 分配内存。当mmap中传入的fd为空时，其作用就是分配内存，类似于malloc(其实malloc的glibc实现中就使用了mmap来分配内存)，俗称“匿名映射”，匿名的意思就是fd为空，名字很抽象，本质不复杂：就是在进程的虚拟地址空间中分配一段虚拟内存(用vma表示)，物理内存在缺页异常中分配，并修改相应页表。

mmap基本原理

如前面所述，mmap主要有两种用途，其中第一种用途分两种情况(普通文件和特殊文件)，这里分别描述相关原理：

1.普通文件的mmap基本原理为：每个文件(file)都定义了相应的文件操作数据结构(file_operations)，该结构中定义了mmap操作，比如ext3文件系统文件对应的文件操作为：ext3_file_operations，对应的mmap操作接口为：generic_file_mmap。generic_file_mmap中就是创建(或查找利用现有的)vma，然后设置相应的成员，包括缺页异常对应的处理钩子，最后返回相应的虚拟地址。当进程访问(写)相应的虚拟地址时，硬件会触发缺页异常(因为相应的页表项还没有创建)，此时会进入缺页异常流程(do_page_fault)，然后会进入之前设置的缺页异常钩子，该钩子会触发文件系统的写入操作，最终会将数据写入到文件中。

2.特殊文件(以设备文件为例)的mmap的基本原理与上述普通文件类似，主要差别在于：其定义的文件操作不同，对应的接口不同；其实现取决于具体的驱动，流程与普通文件实现可以完全不同，这里不详述。

3.匿名映射的基本原理：由于没有具体的fd，没有对应的文件，匿名映射没有对应的文件操作，其流程比较直接，主要还是创建(或查找利用现有的)vma，然后设置相应的成员，返回相应的虚拟地址。当进程访问(写)相应的虚拟地址时，硬件会触发缺页异常(因为相应的页表项还没有创建)，此时会进入缺页异常流程(do_page_fault)，然后会进入匿名映射对应的流程，主要就是为虚拟地址范围创建相应的页表，本质上，就是分配了相应的物理内存。

代码流程

mmap流程

mmap有相应的系统调用接口，从系统调用开始的大致流程如下（代码不是很好找，需要仔细看看）：

SYSCALL_DEFINE6(mmap_pgoff, ...
  sys_mmap_pgoff	
    SYSCALL_DEFINE6(mmap_pgoff, ...
	  vm_mmap_pgoff
	    do_mmap_pgoff
		  mmap_region
			file->f_op->mmap() //不同文件(驱动)自己定义的mmap钩子，比如ext3文件系          统对应为`generic_file_mmap`

文件缺页异常流程

do_page_fault
  __do_page_fault
	handle_pte_fault
  	  __handle_mm_fault
		handle_pte_fault
		  do_fault
			do_shared_fault
			  __do_fault
				vma->vm_ops->fault()  //文件系统或驱动注册的缺页异常钩子，如ext4文件对应为filemap_fault

匿名映射缺页异常流程

do_page_fault
  __do_page_fault
	handle_pte_fault
  	  __handle_mm_fault
		handle_pte_fault
		  do_anonymous_page
		    mk_pte //创建页表项
			set_pte_at

原文地址： http://happyseeker.github.io/kernel/2016/06/15/mmap-flow.html