八張圖講清楚Mmap實(shí)現(xiàn)原理

作者：物聯(lián)網(wǎng)心球 2024-01-05 07:55:39

Linux缺頁中斷是指當(dāng)進(jìn)程訪問尚未建立映射關(guān)系的虛擬內(nèi)存時(shí)，系統(tǒng)會觸發(fā)缺頁中斷，并根據(jù)頁面的狀態(tài)來分配物理頁面并建立映射關(guān)系。

大家好，最近在研究Linux內(nèi)核以及Linux系統(tǒng)編程的時(shí)候，經(jīng)常會碰到mmap內(nèi)存映射，mmap函數(shù)是實(shí)現(xiàn)高性能編程的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，下面我通過幾張圖詳細(xì)介紹一下mmap實(shí)現(xiàn)原理。

（本文以64位CPU為原型講解）

1.虛擬地址如何映射物理地址？

要了解mmap實(shí)現(xiàn)原理，首先必須了解虛擬地址如何映射物理地址，如果沒掌握這個(gè)知識點(diǎn)，后續(xù)閱讀會有很大的困難，切記！

虛擬地址映射物理地址采用的是頁表機(jī)制，64位CPU采用的是4級頁表。

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64位CPU虛擬地址長度為64位，但實(shí)際只用48位就已滿足虛擬地址映射物理內(nèi)存的要求，如下圖：

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64位CPU地址空間可分為三個(gè)部分：

128T用戶空間
128T內(nèi)核空間
其他：保留空間

用戶空間和內(nèi)核空間共256T，2的48次方剛好為256T，所以48位地址空間能映射所有的虛擬地址。

48位虛擬地址由五部分組成：

pgd表偏移，四級表，9位
pud表偏移，三級表，9位
pmd表偏移，二級表，9位
ptl表偏移，一級表，9位
物理頁偏移，12位

問題1：為什么pgd，pud，pmd，ptl表偏移是9位？

pgd，pud，pmd，ptl表實(shí)現(xiàn)原理都相同，我們以pgd來講解。

一張pgd表對應(yīng)一個(gè)物理頁，一個(gè)物理頁的大小為4KB，一個(gè)pgd_t表項(xiàng)為8個(gè)字節(jié)，一張pgd表能存儲4*1024/8=512個(gè)表項(xiàng)。

2的9次方等于512，所以采用9位的表偏移就能索引整張表的表項(xiàng)。

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問題2：為什么物理頁偏移為12位？

一個(gè)物理頁為4KB，物理頁訪問是單字節(jié)訪問，2的12次方剛好為4KB，所以物理頁偏移為12位。

1.1 虛擬地址映射物理地址過程

虛擬地址映射物理地址需要依次索引pgd，pud，pmd，ptl表，具體過程如下：

步驟1：查詢pgd表

查詢pgd表，首先需要找到pgd表物理頁首地址，pgd表物理頁首地址由task_struct->mm_struct->pgd成員保存，每個(gè)進(jìn)程的task_struct->mm_struct->pgd成員數(shù)值不同，所以不同的進(jìn)程即使使用相同的虛擬地址也不會訪問相同到物理地址。

通過pgd表首地址+虛擬地址pgd表偏移索引到pgd_t表項(xiàng)完成pgd表查詢。

步驟2：查詢pud表

pgd_t表項(xiàng)存儲的是pud表物理頁首地址。

通過pud表首地址+虛擬地址pud表偏移索引到pud_t表項(xiàng)完成pud表查詢。

步驟3：查詢pmd表

pud_t表項(xiàng)存儲的是pmd表物理頁首地址。

通過pmd表首地址+虛擬地址pmd表偏移索引到pmd_t表項(xiàng)完成pmd表查詢。

步驟4：查詢ptl表

pmd_t表項(xiàng)存儲的是ptl表物理頁首地址。

通過ptl表首地址+虛擬地址ptl表偏移索引到pte表項(xiàng)完成ptl表查詢。

步驟5：映射物理地址

pte表項(xiàng)存儲的是物理頁首地址，pte+虛擬地址物理頁偏移就能定位到物理地址。

注意：定位到物理地址后，虛擬地址映射物理地址的過程就已完成。

思考：64位CPU頁表機(jī)制需要多少張表？

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表的數(shù)量如下：

pgd表1張，占用內(nèi)存4KB。
pud表2的9次方張，占用內(nèi)存4KB * 512 = 2MB。
pmd表2的18次方張，占用內(nèi)存4KB * 512 * 512 = 1GB。
ptl表2的27次方張，占用內(nèi)存4KB * 512 * 512 * 512 = 512GB。

如果每張表都固定分配一個(gè)物理頁，所有的表占用的內(nèi)存空間已經(jīng)達(dá)到500多GB，這只是一個(gè)進(jìn)程占用的空間，如果有大量的進(jìn)程，占用內(nèi)存就非常恐怖了。

通常情況下，進(jìn)程只會使用很小的內(nèi)存，所以系統(tǒng)不會一下把所有的頁表都創(chuàng)建出來，而是采用動態(tài)分配的方式創(chuàng)建，當(dāng)需要訪問虛擬地址時(shí)，通過缺頁中斷創(chuàng)建虛擬地址對應(yīng)的各個(gè)頁表。

2.mmap實(shí)現(xiàn)原理

mmap函數(shù)是一種內(nèi)存映射文件的方法，它可以將一個(gè)文件或設(shè)備映射到進(jìn)程的地址空間中，使得進(jìn)程可以像訪問內(nèi)存一樣訪問文件或設(shè)備。

mmap可以分為：文件映射和匿名映射。

mmap函數(shù)主要工作就是創(chuàng)建VMA。

2.1 VMA簡介

VMA（Virtual Memory Area，虛擬內(nèi)存區(qū)域）是Linux內(nèi)核中用于管理進(jìn)程虛擬內(nèi)存的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。每個(gè)進(jìn)程都有一個(gè)VMA鏈表，用于描述進(jìn)程的虛擬地址空間的不同區(qū)域。

VMA包含了一段連續(xù)的虛擬地址空間，它定義了該區(qū)域的起始地址、結(jié)束地址以及一些屬性信息。VMA可以表示進(jìn)程的代碼段、數(shù)據(jù)段、堆、棧等不同的內(nèi)存區(qū)域。

VMA對應(yīng)Linux內(nèi)核struct vm_area_struct對象。

注意：VMA用于指導(dǎo)虛擬內(nèi)存映射物理內(nèi)存，沒有VMA指導(dǎo)無法完成虛擬地址和物理地址映射。

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