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。
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