mmap 的原理
每一个进程都有一个列表 vm_area_struct，指向虚拟地址空间的不同的内存块，这个变量的名字叫 mmap。
其实内存映射不仅仅是物理内存和虚拟内存之间的映射，还包括将文件中的内容映射到虚拟内存空间。
这个时候，访问内存空间就能够访问到文件里面的数据。而仅有物理内存和虚拟内存的映射，是一种特殊情况。
struct mm_struct { struct vm_area_struct *mmap; /* list of VMAs */ ...... } struct vm_area_struct { /* * For areas with an address space and backing store, * linkage into the address_space->i_mmap interval tree. */ struct { struct rb_node rb; unsigned long rb_subtree_last; } shared; /* * A file's MAP_PRIVATE vma can be in both i_mmap tree and anon_vma * list, after a COW of one of the file pages. A MAP_SHARED vma * can only be in the i_mmap tree. An anonymous MAP_PRIVATE, stack * or brk vma (with NULL file) can only be in an anon_vma list. */ struct list_head anon_vma_chain; /* Serialized by mmap_sem & * page_table_lock */ struct anon_vma *anon_vma; /* Serialized by page_table_lock */ /* Function pointers to deal with this struct. */ const struct vm_operations_struct *vm_ops; /* Information about our backing store: */ unsigned long vm_pgoff; /* Offset (within vm_file) in PAGE_SIZE units */ struct file * vm_file; /* File we map to (can be NULL). */ void * vm_private_data; /* was vm_pte (shared mem) */ } SYSCALL_DEFINE6(mmap, unsigned long, addr, unsigned long, len, unsigned long, prot, unsigned long, flags, unsigned long, fd, unsigned long, off) { ...... error = sys_mmap_pgoff(addr, len, prot, flags, fd, off >> PAGE_SHIFT); ...... } SYSCALL_DEFINE6(mmap_pgoff, unsigned long, addr, unsigned long, len, unsigned long, prot, unsigned long, flags, unsigned long, fd, unsigned long, pgoff) { struct file *file = NULL; ...... file = fget(fd); ...... retval = vm_mmap_pgoff(file, addr, len, prot, flags, pgoff); return retval; } 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) { if (file->f_op->get_unmapped_area) get_area = file->f_op->get_unmapped_area; } ...... }
如果要映射到文件，fd 会传进来一个文件描述符，并且 mmap_pgoff 里面通过 fget 函数，根据文件描述符获得 struct file。struct file 表示打开的一个文件。接下来的调用链是
vm_mmap_pgoff->do_mmap_pgoff->do_mmap
这里面主要干了两件事情：
调用 get_unmapped_area 找到一个没有映射的区域；
调用 mmap_region 映射这个区域。
如果是匿名映射，则调用 mm_struct 里面的 get_unmapped_area 函数。这个函数其实是 arch_get_unmapped_area。它会调用 find_vma_prev，在表示虚拟内存区域的 vm_area_struct 红黑树上找到相应的位置。之所以叫 prev，是说这个时候虚拟内存区域还没有建立，找到前一个 vm_area_struct。
如果不是匿名映射，而是映射到一个文件，这样在 Linux 里面，每个打开的文件都有一个 struct file 结构，里面有一个 file_operations，用来表示和这个文件相关的操作。如果是我们熟知的 ext4 文件系统，调用的是 thp_get_unmapped_area。如果我们仔细看这个函数，最终还是调用 mm_struct 里面的 get_unmapped_area 函数，殊途同归。
unsigned long mmap_region(struct file *file, unsigned long addr, unsigned long len, vm_flags_t vm_flags, unsigned long pgoff, struct list_head *uf) { struct mm_struct *mm = current->mm; struct vm_area_struct *vma, *prev; struct rb_node **rb_link, *rb_parent; /* * Can we just expand an old mapping? */ vma = vma_merge(mm, prev, addr, addr + len, vm_flags, NULL, file, pgoff, NULL, NULL_VM_UFFD_CTX); if (vma) goto out; /* * Determine the object being mapped and call the appropriate * specific mapper. the address has already been validated, but * not unmapped, but the maps are removed from the list. */ 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; INIT_LIST_HEAD(&vma->anon_vma_chain); if (file) { vma->vm_file = get_file(file); error = call_mmap(file, vma); addr = vma->vm_start; vm_flags = vma->vm_flags; } ...... // 将新创建的 vm_area_struct 挂在了 mm_struct 里面的红黑树上 vma_link(mm, vma, prev, rb_link, rb_parent); return addr; ..... } struct address_space { struct inode *host; /* owner: inode, block_device */ ...... struct rb_root i_mmap; /* tree of private and shared mappings */ ...... const struct address_space_operations *a_ops; /* methods */ ...... } static void __vma_link_file(struct vm_area_struct *vma) { struct file *file; file = vma->vm_file; if (file) { struct address_space *mapping = file->f_mapping; vma_interval_tree_insert(vma, &mapping->i_mmap); }
之前找到了虚拟内存区域的前一个 vm_area_struct，首先要看，是否能够基于它进行扩展，也即调用 vma_merge，和前一个 vm_area_struct 合并到一起。如果不能，就需要调用 kmem_cache_zalloc，在 Slub 里面创建一个新的 vm_area_struct 对象，设置起始和结束位置，将它加入队列。
如果是映射到文件，则设置 vm_file 为目标文件，调用 call_mmap。其实就是调用 file_operations 的 mmap 函数。对于 ext4 文件系统，调用的是 ext4_file_mmap。从这个函数的参数可以看出，这一刻文件和内存开始发生关系了。这里我们将 vm_area_struct 的内存操作设置为文件系统操作，也就是说，读写内存其实就是读写文件系统。
这个时候，从内存到文件的映射关系，至少要在逻辑层面建立起来。那从文件到内存的映射关系呢？vma_link 还做了另外一件事情，就是 __vma_link_file。这个东西要用于建立这层映射关系。对于打开的文件，会有一个结构 struct file 来表示。它有个成员指向 struct address_space 结构，这里面有棵变量名为 i_mmap 的红黑树，vm_area_struct 就挂在这棵树上。
用户态缺页异常
一旦开始访问虚拟内存的某个地址，发现并没有对应的物理页，那就触发缺页中断，调用 do_page_fault。
dotraplinkage void notrace do_page_fault(struct pt_regs *regs, unsigned long error_code) { unsigned long address = read_cr2(); /* Get the faulting address */ ...... __do_page_fault(regs, error_code, address); ...... } /* * This routine handles page faults. It determines the address, * and the problem, and then passes it off to one of the appropriate * routines. */ static noinline void __do_page_fault(struct pt_regs *regs, unsigned long error_code, unsigned long address) { struct vm_area_struct *vma; struct task_struct *tsk; struct mm_struct *mm; tsk = current; mm = tsk->mm; if (unlikely(fault_in_kernel_space(address))) { if (vmalloc_fault(address) >= 0) return; } ...... vma = find_vma(mm, address); ...... fault = handle_mm_fault(vma, address, flags); ...... }
在 __do_page_fault 里面，先要判断缺页中断是否发生在内核。
如果发生在内核则调用 vmalloc_fault。在内核里面，vmalloc 区域需要内核页表映射到物理页。
如果发生在用户空间，找到要访问的那个地址所在的区域 vm_area_struct，然后调用 handle_mm_fault 来映射这个区域。
static int __handle_mm_fault(struct vm_area_struct *vma, unsigned long address, unsigned int flags) { struct vm_fault vmf = { .vma = vma, .address = address & PAGE_MASK, .flags = flags, .pgoff = linear_page_index(vma, address), .gfp_mask = __get_fault_gfp_mask(vma), }; struct mm_struct *mm = vma->vm_mm; pgd_t *pgd; p4d_t *p4d; int ret; pgd = pgd_offset(mm, address); p4d = p4d_alloc(mm, pgd, address); ...... vmf.pud = pud_alloc(mm, p4d, address); ...... vmf.pmd = pmd_alloc(mm, vmf.pud, address); ...... return handle_pte_fault(&vmf); }
到这里，终于看到了我们熟悉的 PGD、P4G、PUD、PMD、PTE，这就是前面讲页表的时候，讲述的四级页表的概念，因为暂且不考虑五级页表，我们暂时忽略 P4G。
每个进程都有独立的地址空间，为了这个进程独立完成映射，每个进程都有独立的进程页表，这个页表的最顶级的 pgd 存放在 task_struct 中的 mm_struct 的 pgd 变量里面。
在一个进程新创建的时候，会调用 fork，对于内存的部分会调用 copy_mm，里面调用 dup_mm。
/* * Allocate a new mm structure and copy contents from the * mm structure of the passed in task structure. */ static struct mm_struct *dup_mm(struct task_struct *tsk) { struct mm_struct *mm, *oldmm = current->mm; mm = allocate_mm(); memcpy(mm, oldmm, sizeof(*mm)); if (!mm_init(mm, tsk, mm->user_ns)) goto fail_nomem; err = dup_mmap(mm, oldmm); return mm; } // mm_init => mm_alloc_pgd static inline int mm_alloc_pgd(struct mm_struct *mm) { mm->pgd = pgd_alloc(mm); // 分配全局页目录项 return 0; } // pgd_alloc => pgd_ctor static void pgd_ctor(struct mm_struct *mm, pgd_t *pgd) { /* If the pgd points to a shared pagetable level (either the ptes in non-PAE, or shared PMD in PAE), then just copy the references from swapper_pg_dir. 内核页表的最顶级的全局页目录*/ if (CONFIG_PGTABLE_LEVELS == 2 || (CONFIG_PGTABLE_LEVELS == 3 && SHARED_KERNEL_PMD) || CONFIG_PGTABLE_LEVELS >= 4) { clone_pgd_range(pgd + KERNEL_PGD_BOUNDARY, swapper_pg_dir + KERNEL_PGD_BOUNDARY, KERNEL_PGD_PTRS); } ...... }
pgd_alloc 里面除了分配 PGD 之外，还做了很重要的一个事情，就是调用 pgd_ctor。
pgd_ctor 拷贝了对于 swapper_pg_dir 的引用。swapper_pg_dir 是内核页表的最顶级的全局页目录。
至此，一个进程 fork 完毕之后，有了内核页表，有了自己顶级的 pgd，但是对于用户地址空间来讲，还完全没有映射过。这需要等到这个进程在某个 CPU 上运行，并且对内存访问的那一刻了。
当这个进程被调度到某个 CPU 上运行的时候，要调用 context_switch 进行上下文切换。对于内存方面的切换会调用 switch_mm_irqs_off，这里面会调用 load_new_mm_cr3。
cr3 是 CPU 的一个寄存器，它会指向当前进程的顶级 pgd。如果 CPU 的指令要访问进程的虚拟内存，它就会自动从 cr3 里面得到 pgd 在物理内存的地址，然后根据里面的页表解析虚拟内存的地址为物理内存，从而访问真正的物理内存上的数据。
这里需要注意两点。
第一点，cr3 里面存放当前进程的顶级 pgd，这个是硬件的要求。cr3 里面需要存放 pgd 在物理内存的地址，不能是虚拟地址。因而 load_new_mm_cr3 里面会使用 __pa，将 mm_struct 里面的成员变量 pgd（mm_struct 里面存的都是虚拟地址）变为物理地址，才能加载到 cr3 里面去。
第二点，用户进程在运行的过程中，访问虚拟内存中的数据，会被 cr3 里面指向的页表转换为物理地址后，才在物理内存中访问数据，这个过程都是在用户态运行的，地址转换的过程无需进入内核态。
只有访问虚拟内存的时候，发现没有映射到物理内存，页表也没有创建过，才触发缺页异常。进入内核调用 do_page_fault，然后__handle_mm_fault 调用 pud_alloc 和 pmd_alloc，来创建相应的页目录项，最后调用 handle_pte_fault 来创建页表项。
static int handle_pte_fault(struct vm_fault *vmf) { pte_t entry; ...... vmf->pte = pte_offset_map(vmf->pmd, vmf->address); vmf->orig_pte = *vmf->pte; ...... // 如果页表项 PTE，从来没有出现过，那就是新映射的页 if (!vmf->pte) { // 如果是匿名页，应该映射到一个物理内存页 if (vma_is_anonymous(vmf->vma)) return do_anonymous_page(vmf); else // 如果是映射到文件 return do_fault(vmf); } // 如果 PTE 原来出现过，说明原来页面在物理内存中，后来换出到硬盘了，现在应该换回来 if (!pte_present(vmf->orig_pte)) return do_swap_page(vmf); ...... }
static int do_anonymous_page(struct vm_fault *vmf) { struct vm_area_struct *vma = vmf->vma; struct mem_cgroup *memcg; struct page *page; int ret = 0; pte_t entry; ...... // 分配一个页表项 if (pte_alloc(vma->vm_mm, vmf->pmd, vmf->address)) return VM_FAULT_OOM; ...... // 分配一个页 page = alloc_zeroed_user_highpage_movable(vma, vmf->address); ...... // 将页表项指向新分配的物理页 entry = mk_pte(page, vma->vm_page_prot); if (vma->vm_flags & VM_WRITE) entry = pte_mkwrite(pte_mkdirty(entry)); vmf->pte = pte_offset_map_lock(vma->vm_mm, vmf->pmd, vmf->address, &vmf->ptl); ...... // 将页表项塞到页表里面 set_pte_at(vma->vm_mm, vmf->address, vmf->pte, entry); ...... }
static int __do_fault(struct vm_fault *vmf) { struct vm_area_struct *vma = vmf->vma; int ret; ...... ret = vma->vm_ops->fault(vmf); ...... return ret; } static const struct vm_operations_struct ext4_file_vm_ops = { .fault = ext4_filemap_fault, .map_pages = filemap_map_pages, .page_mkwrite = ext4_page_mkwrite, }; int ext4_filemap_fault(struct vm_fault *vmf) { // vm_file 就是当时 mmap 的时候映射的那个文件 struct inode *inode = file_inode(vmf->vma->vm_file); ...... err = filemap_fault(vmf); ...... return err; }
int filemap_fault(struct vm_fault *vmf) { int error; struct file *file = vmf->vma->vm_file; struct address_space *mapping = file->f_mapping; struct inode *inode = mapping->host; pgoff_t offset = vmf->pgoff; struct page *page; int ret = 0; ...... //对于文件映射来说，一般这个文件会在物理内存里面有页面作为它的缓存，find_get_page 就是找那个页 page = find_get_page(mapping, offset); if (likely(page) && !(vmf->flags & FAULT_FLAG_TRIED)) { // 如果找到了，就预读一些数据到内存里面 do_async_mmap_readahead(vmf->vma, ra, file, page, offset); } else if (!page) { goto no_cached_page; } ...... vmf->page = page; return ret | VM_FAULT_LOCKED; no_cached_page: // 如果没有物理内存中的缓存页 error = page_cache_read(file, offset, vmf->gfp_mask); ...... } static int page_cache_read(struct file *file, pgoff_t offset, gfp_t gfp_mask) { struct address_space *mapping = file->f_mapping; struct page *page; ...... // 显示分配一个缓存页 page = __page_cache_alloc(gfp_mask|__GFP_COLD); ...... // 将这一页加到 lru 表里面 ret = add_to_page_cache_lru(page, mapping, offset, gfp_mask & GFP_KERNEL); ...... // 将文件内容读到内存中 ret = mapping->a_ops->readpage(file, page); ...... }
static const struct address_space_operations ext4_aops = { .readpage = ext4_readpage, .readpages = ext4_readpages, ...... }; static int ext4_read_inline_page(struct inode *inode, struct page *page) { void *kaddr; ...... // 临时内核映射，将物理内存映射到内核的虚拟地址空间，得到内核中的地址 kaddr kaddr = kmap_atomic(page); // 读取文件到这个虚拟地址 ret = ext4_read_inline_data(inode, kaddr, len, &iloc); flush_dcache_page(page); // 读取完毕后，取消这个临时映射 kunmap_atomic(kaddr); ...... }
kmap_atomic是用来做临时内核映射的。本来把物理内存映射到用户虚拟地址空间，不需要在内核里面映射一把。但是，现在因为要从文件里面读取数据并写入这个物理页面，又不能使用物理地址，我们只能使用虚拟地址，这就需要在内核里面临时映射一把。
int do_swap_page(struct vm_fault *vmf) { struct vm_area_struct *vma = vmf->vma; struct page *page, *swapcache; struct mem_cgroup *memcg; swp_entry_t entry; pte_t pte; ...... entry = pte_to_swp_entry(vmf->orig_pte); ...... // 先查找 swap 文件有没有缓存页 page = lookup_swap_cache(entry); if (!page) { // 将 swap 文件读到内存中来，形成内存页 page = swapin_readahead(entry, GFP_HIGHUSER_MOVABLE, vma, vmf->address); ...... } ...... swapcache = page; ...... // 生成页表项 pte = mk_pte(page, vma->vm_page_prot); ...... // 将页表项插入页表 set_pte_at(vma->vm_mm, vmf->address, vmf->pte, pte); vmf->orig_pte = pte; ...... // 将 swap 文件清理（因为重新加载回内存了，不再需要 swap 文件） swap_free(entry); ...... } // swapin_readahead 会最终调用 swap_readpage int swap_readpage(struct page *page, bool do_poll) { struct bio *bio; int ret = 0; struct swap_info_struct *sis = page_swap_info(page); blk_qc_t qc; struct block_device *bdev; ...... if (sis->flags & SWP_FILE) { struct file *swap_file = sis->swap_file; struct address_space *mapping = swap_file->f_mapping; // 读取普通文件和读取 swap 文件，过程是一样的，同样需要用 kmap_atomic 做临时映射 ret = mapping->a_ops->readpage(swap_file, page); return ret; } ...... }
通过上面复杂的过程，用户态缺页异常处理完毕了。物理内存中有了页面，页表也建立好了映射。接下来，用户程序在虚拟内存空间里面，可以通过虚拟地址顺利经过页表映射的访问物理页面上的数据了。