内存映射原理及系统调用

物理地址空间
物理地址是处理器在系统总线上看到的地址。使用精简指令集（Reduced Instruction Set Computer，RISC）的处理器通常只实现一个物理地址空间，外围设备和物理内存使用统一的物理地址空间。有些处理器架构把分配给外围设备的物理地址区域称为设备内存。

处理器通过外围设备控制器的寄存器访问外围设备，寄存器分为控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器三大类，外围设备的寄存器通常被连续地编址。处理器对外围设备寄存器的编址方式有两种：
（1）I/O映射方式（I/O-mapped）：英特尔的x86处理器为外围设备专门实现了一个单独的地址空间，称为“I/O地址空间”或“I/O端口空间”，处理器通过专门的I/O指令（如x86的in和out指令）来访问这一空间中的地址单元。
（2）内存映射方式（memory-mapped）：使用精简指令集的处理器通常只实现一个物理地址空间，外围设备和物理内存使用统一的物理地址空间，处理器可以像访问一个内存单元那样访问外围设备，不需要提供专门的I/O指令。

程序只能通过虚拟地址访问外设寄存器，内核提供了以下函数来把外设寄存器的物理地址映射到虚拟地址空间：
（1）函数ioremap()把外设寄存器的物理地址映射到内核虚拟地址空间。

void * ioremap(unsigned long phys_addr, unsigned long size, unsigned long flags);

（2）函数io_remap_pfn_range()把外设寄存器的物理地址映射到进程的用户虚拟地址空间。

int io_remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long addr,unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t prot);

内存映射原理
a. 内存映射原理
​ 内存映射即在进程的虚拟地址空间中创建一个映射，分为两种：

文件映射：文件支持的内存映射，把文件的一个区间映射到进程的虚拟地址空间，数据源是存储设备上的文件。
匿名映射：没有文件支持的内存映射，把物理内存映射到进程的虚拟地址空间，没有数据源。
创建内存映射时，在进程的用户虚拟地址空间中分配一个虚拟内存区域。内核采用延迟分配物理内存的策略，在进程第一次访问虚拟页的时候，产生缺页异常。如果是文件映射，那么分配物理页，把文件指定区间的数据读到物理页中，然后在页表中把虚拟页映射到物理页。
如果是匿名映射，就分配物理页，然后在页表中把虚拟页映射到物理页。

内核必须提供数据结构，以建立虚拟地址空间的区域和相关数据所在位置之间的关联。例如，在映射文本文件时，映射的虚似内存区必须关联到文件系统在硬盘上存储文件内容的区域。

当然，给出的图示是简化的，因为文件数据在硬盘上的存储通常并不是连续的，而是分布到若干小的区域。内核利用address_space数据结构，提供一组方法从后备存储器读取数据。例如，从文件系统读取。因此address_space形成了一个辅助层，将映射的数据表示为连续的线性区域，提供给内存管理子系统。按需分配和填充页称之为按需调页法（ demand paging）。
b.数据结构
虚拟内存区域分配给进程的一个虚拟地址范围，内核使用结构体vm_area_struct描述虚拟内存区域，主要核心成员如下：

我们知道struct mm_struct很重要，该结构提供了进程在内存中布局的所有必要信息。另外，它还包括下列成员，用于管理用户进程在虚拟地址空间中的所有内存区域。

*mm_types.h*/
struct mm_struct {
	struct vm_area_struct *mmap;		/* list of VMAs */
	struct rb_root mm_rb;
	u32 vmacache_seqnum;                   /* per-thread vmacache */
	.....
}

用户虚拟地址空间中的每个区域由开始和结束地址描述。现存的区域按起始地址以递增次序被归入链表中。扫描链表找到与特定地址关联的区域，在有大量区域时是非常低效的操作（数据密集型的应用程序就是这样）。因此vm_area_struct的各个实例还通过红黑树管理，可以显著加快扫描速度。增加新区域时，内核首先搜索红黑树，找到刚好在新区域之前的区域。因此，内核可以向树和线性链表添加新的区域，而无需扫描链表。
c. 系统调用和mmap内存映射
c.1 系统调用
应用程序通常使用C标准库提供的函数malloc()申请内存，glibc库的内存分配器ptmalloc使用brk或mmap向内核以页为单位申请虚拟内存，然后把页划分成小内存块分配给应用程序。默认的阈值时128kb，如果应用程序申请的内存长度小于阈值，ptmalloc分配器使用brk向内核申请虚拟内存，否则ptmalloc分配器使用mmap向内核申请虚拟内存。应用程序可以直接使用mmap向内核申请虚拟内存。

我们已经熟悉了内存映射相关的数据结构和地址空间操作，在本节中，我们将进一步讨论在建立映射时内核和应用程序之间的交互。就我们所知， C标准库提供了mmap 函数建立映射。在内核一端，提供了两个系统调用mmap和mmap2。两个函数的参数相同。

void* mmap(void* start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset);

这两个调用都会在用户虚拟地址空间中的pos位置，建立一个长度为len的映射，其访问权限通过prot定义。 flags是一个标志集，用于设置一些参数。相关的文件通过其文件描述符fd标识。

mmap和mmap2之间的差别在于偏移量的语义（ off）。在这两个调用中，它都表示映射在文件中开始的位置。对于mmap，位置的单位是字节，而mmap2使用的单位则是页（ PAGE_SIZE）。因此即使文件比可用地址空间大，也可以映射文件的一部分。通常C标准库只提供一个函数，由应用程序用来创建内存映射。接下来该函数调用在内部转换为适合于体系结构的系统调用。可使用munmap系统调用删除映射。因为不需要文件偏移量，因此不需要munmap2系统调用，只需提供映射的虚拟地址。

参数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。

参数length：代表将文件中多大的部分映射到内存。

参数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

参数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）。

参数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。

参数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必须是分页大小的整数倍。

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。

我们回顾一下mmap内存映射原理的三个阶段：

进程启动映射过程，并且在虚拟地址空间为映射创建虚拟映射区域；
调用内核空间的系统调用函数mmap(不同于用户空间函数)，实现文件物理地址和进程虚拟的一一映射关系；
进程发起对这片映射空间的访问，引发缺页异常，实现文件内容到物理内存(主存)的拷贝。

munmap()----删除内存映射
#include <sys/mman.h>
int munmap(void *addr, size_t len);

mprotect()----设置虚拟内存区域的访问权限
#include <sys/mman.h>
int mprotect(void *addr, size_t len, int prot);