专题：Linux内存管理专题
关键词：文件映射、匿名映射、私有映射、共享映射
mmap/munmap是常用的一个系统调用，使用场景是：分配内存、读写大文件、连接动态库文件、多进程间共享内存。
更详细解读参考《Linux内存管理 (9)mmap(补充)》。
1. mmap/munmap介绍
mmap/munmap函数声明如下：
#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,
int fd, off_t offset);
int munmap(void *addr, size_t length);
addr：如果不为NULL，内核会在此地址创建映射；否则，内核会选择一个合适的虚拟地址。
length：表示映射到进程地址空间的大小。
prot：内存区域的读/写/执行属性。
flags：内存映射的属性，共享、私有、匿名、文件等。
- fd：表示这是一个文件映射，fd是打开文件的句柄。
- offset：在文件映射时，表示相对文件头的偏移量；返回的地址是偏移量对应的虚拟地址。
下面是prot对应的参数组合：
#define PROT_READ 0x1 /* page can be read */
#define PROT_WRITE 0x2 /* page can be written */
#define PROT_EXEC 0x4 /* page can be executed */
#define PROT_SEM 0x8 /* page may be used for atomic ops */
#define PROT_NONE 0x0 /* page can not be accessed */
#define PROT_GROWSDOWN 0x01000000 /* mprotect flag: extend change to start of growsdown vma */
#define PROT_GROWSUP 0x02000000 /* mprotect flag: extend change to end of growsup vma */
flags参数组合有：
#define MAP_SHARED 0x01 /* Share changes */---------创建一个共享映射的区域，多个进程可以映射到一个文件，掐进程可以看到映射内容的改变，修改后内容会同步到磁盘中。
#define MAP_PRIVATE 0x02 /* Changes are private */--创建一个私有的写时复制的映射，其他进程看不到映射内容的改变，也不会同步到磁盘中。
#define MAP_TYPE 0x0f /* Mask for type of mapping */
#define MAP_FIXED 0x10 /* Interpret addr exactly */-使用指定的映射起始地址，如果有start和len参数指定的内存区重叠于现存的映射空间，重叠部分将会被丢弃。如果指定起始地址不可用，操作将会失败。并且起始地址必须落在页的边界上。
#define MAP_ANONYMOUS 0x20 /* don't use a file */---匿名映射，映射区不与任何文件关联。此时fd应设置为-1。
#ifdef CONFIG_MMAP_ALLOW_UNINITIALIZED
# define MAP_UNINITIALIZED 0x4000000 /* For anonymous mmap, memory could be uninitialized */
#else
# define MAP_UNINITIALIZED 0x0 /* Don't support this flag */
#endif
#define MAP_GROWSDOWN 0x0100 /* stack-like segment */--------------告诉内核VM系统，映射区可以向下扩展。
#define MAP_DENYWRITE 0x0800 /* ETXTBSY */
#define MAP_EXECUTABLE 0x1000 /* mark it as an executable */
#define MAP_LOCKED 0x2000 /* pages are locked */-------------------锁定映射区页面，从而防止页面被交换出内存。
#define MAP_NORESERVE 0x4000 /* don't check for reservations */
#define MAP_POPULATE 0x8000 /* populate (prefault) pagetables */---对文件映射来说，会提前预读文件内容到映射区域，只支持私有映射。
#define MAP_NONBLOCK 0x10000 /* do not block on IO */--------------和MAP_POPULATE一起使用时才有意义。不执行预读，只为已存在与内存中的页面建立页表入口。
#define MAP_STACK 0x20000 /* give out an address that is best suited for process/thread stacks */
#define MAP_HUGETLB 0x40000 /* create a huge page mapping */
2. mmap映射类型
根据mmap是否映射到文件、是共享还是私有映射，将映射类型分成四类，使用场景如下：
| 场景 | 私有影射 | 共享映射 |
| 匿名映射 |
通常用于内存分配 fd=-1，flags=MAP_ANONYMOUS|MAP_PRIVATE |
通常用于进程间内存共享，常用于父子进程之间通信。 FD=-1，flags=MAP_ANONYMOUS|MAP_SHARED |
| 文件映射 |
通常用于加载动态库 flags=MAP_PRIVATE |
通常用于内存映射IO、进程间通信、读写文件。 flags=MAP_SHARED |
3. mmap流程
用户空间的mmap，在内核中的起点是mmap_pgoff。
4. mmap使用两个小问题
问题1：两次对相同地址执行mmap是否成功？
#include <stdio.h>
#include <sys/mman.h> void main(void)
{
char *pmap1, *pmap2; pmap1 = (char *)mmap(0x20000000, , PROT_READ, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -, );
if(MAP_FAILED == pmap1)
printf("pmap1 failed\n"); pmap2 = (char *)mmap(0x20000000, , PROT_READ, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -, );
if(MAP_FAILED == pmap2)
printf("pmap1 failed\n");
}
在Ubuntu上执行strace ./mmap结果如下：
...
mmap(0x20000000, , PROT_READ, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -, ) = 0x20000000
mmap(0x20000000, , PROT_READ, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -, ) = 0x20000000
...
如果将第二个mmap的MAP_FIXED去掉呢？结果如下：
...
mmap(0x20000000, , PROT_READ, MAP_PRIVATE|MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -, ) = 0x20000000
mmap(0x20000000, , PROT_READ, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -, ) = 0x7fcb336e1000
...
可以看出如果映射区属性包含MAP_FIXED，则会覆盖原来区域；如果没有MAP_FIXED，内核会找到一个区域。
unsigned long mmap_region(struct file *file, unsigned long addr,
unsigned long len, vm_flags_t vm_flags, unsigned long pgoff)
{
...
munmap_back:
if (find_vma_links(mm, addr, addr + len, &prev, &rb_link, &rb_parent)) {
if (do_munmap(mm, addr, len))-----------------------------将冲突区域去映射
return -ENOMEM;
goto munmap_back;
}
...
}
问题2：在一个播放系统中同时打开几十个不同高清视频文件，发现播放有些卡顿，打开文件使用的是mmap，分析原因并解决。
mmap建立文件映射时，只建立了VMA，而没有分配对应的页面和建立映射关系。
播放时会不同发生缺页异常去读取文件内容，导致性能较差。
解决方法：1.对mmap映射后的地址用madvise(addr, len, MADV_SEQUENTIAL)。
2.通过"blockdev --setra"来增大内核默认预读窗口，默认是128KB。