25 | 用户态内存映射：如何找到正确的会议室？
前面几节，我们既看了虚拟内存空间如何组织的，也看了物理页面如何管理的。现在我们需要一些数据结构，将二者关联起来。
mmap的原理
在虚拟地址空间那一节，我们知道，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。
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_SIZEunits */struct file * vm_file; /* File we map to (can be NULL). */void * vm_private_data; /* was vm_pte (shared mem) */
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。
前面咱们讲堆的时候讲过，如果我们要申请小块内存，就用brk。brk函数之前已经解析过了，这里就不多说了。如果申请一大块内存，就要用mmap。对于堆的申请来讲，mmap是映射内存空间到物理内存。
另外，如果一个进程想映射一个文件到自己的虚拟内存空间，也要通过mmap系统调用。这个时候mmap是映射内存空间到物理内存再到文件。可见mmap这个系统调用是核心，我们现在来看mmap这个系统调用。
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;}
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。
我们先来看get_unmapped_area函数。
unsigned longget_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;}......}
这里面如果是匿名映射，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。
const struct file_operations ext4_file_operations = {.......mmap = ext4_file_mmap.get_unmapped_area = thp_get_unmapped_area,};unsigned long __thp_get_unmapped_area(struct file *filp, unsigned long len,loff_t off, unsigned long flags, unsigned long size){unsigned long addr;loff_t off_end = off + len;loff_t off_align = round_up(off, size);unsigned long len_pad;len_pad = len + size;......addr = current->mm->get_unmapped_area(filp, 0, len_pad,off >> PAGE_SHIFT, flags);addr += (off - addr) & (size - 1);return addr;}
我们再来看mmap_region，看它如何映射这个虚拟内存区域。
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;}......vma_link(mm, vma, prev, rb_link, rb_parent);return addr;.....
还记得咱们刚找到了虚拟内存区域的前一个vm_area_struct，我们首先要看，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。
static inline int call_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma){return file->f_op->mmap(file, vma);}static int ext4_file_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma){......vma->vm_ops = &ext4_file_vm_ops;......}
我们再回到mmap_region函数。最终，vma_link函数将新创建的vm_area_struct挂在了mm_struct里面的红黑树上。
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。
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);}
到这里，内存映射的内容要告一段落了。你可能会困惑，好像还没和物理内存发生任何关系，还是在虚拟内存里面折腾呀？
对的，因为到目前为止，我们还没有开始真正访问内存呀！这个时候，内存管理并不直接分配物理内存，因为物理内存相对于虚拟地址空间太宝贵了，只有等你真正用的那一刻才会开始分配。
用户态缺页异常
一旦开始访问虚拟内存的某个地址，如果我们发现，并没有对应的物理页，那就触发缺页中断，调用do_page_fault。
dotraplinkage void notracedo_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，这就和咱们前面学过的虚拟内存的布局对应上了。在内核里面，vmalloc区域需要内核页表映射到物理页。咱们这里把内核的这部分放放，接着看用户空间的部分。
接下来在用户空间里面，找到你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。
pgd_t 用于全局页目录项，pud_t 用于上层页目录项，pmd_t 用于中间页目录项，pte_t 用于直接页表项。
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;}
在这里，除了创建一个新的mm_struct，并且通过memcpy将它和父进程的弄成一模一样之外，我们还需要调用mm_init进行初始化。接下来，mm_init调用mm_alloc_pgd，分配全局页目录项，赋值给mm_struct的pgd成员变量。
static inline int mm_alloc_pgd(struct mm_struct *mm){mm->pgd = pgd_alloc(mm);return 0;}
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。
static void pgd_ctor(struct mm_struct *mm, pgd_t *pgd){/* If the pgd points to a shared pagetable level (either theptes in non-PAE, or shared PMD in PAE), then just copy thereferences from swapper_pg_dir. */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_ctor干了什么事情呢？我们注意看里面的注释，它拷贝了对于swapper_pg_dir的引用。swapper_pg_dir是内核页表的最顶级的全局页目录。
一个进程的虚拟地址空间包含用户态和内核态两部分。为了从虚拟地址空间映射到物理页面，页表也分为用户地址空间的页表和内核页表，这就和上面遇到的vmalloc有关系了。在内核里面，映射靠内核页表，这里内核页表会拷贝一份到进程的页表。至于swapper_pg_dir是什么，怎么初始化的，怎么工作的，我们还是先放一放，放到下一节统一讨论。
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，咱们在调度那一节讲过，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，一直调用到__handle_mm_fault，这才有了上面解析到这个函数的时候，我们看到的代码。既然原来没有创建过页表，那只好补上这一课。于是，__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。
绕了一大圈，终于将页表整个机制的各个部分串了起来。但是咱们的故事还没讲完，物理的内存还没找到。我们还得接着分析handle_pte_fault的实现。
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;......if (!vmf->pte) {if (vma_is_anonymous(vmf->vma))return do_anonymous_page(vmf);elsereturn do_fault(vmf);}if (!pte_present(vmf->orig_pte))return do_swap_page(vmf);......}
这里面总的来说分了三种情况。如果PTE，也就是页表项，从来没有出现过，那就是新映射的页。如果是匿名页，就是第一种情况，应该映射到一个物理内存页，在这里调用的是do_anonymous_page。如果是映射到文件，调用的就是do_fault，这是第二种情况。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，调用的是do_swap_page。
我们来看第一种情况，do_anonymous_page。对于匿名页的映射，我们需要先通过pte_alloc分配一个页表项，然后通过alloc_zeroed_user_highpage_movable分配一个页。之后它会调用alloc_pages_vma，并最终调用__alloc_pages_nodemask。
这个函数你还记得吗？就是咱们伙伴系统的核心函数，专门用来分配物理页面的。do_anonymous_page接下来要调用mk_pte，将页表项指向新分配的物理页，set_pte_at会将页表项塞到页表里面。
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;......if (pte_alloc(vma->vm_mm, vmf->pmd, vmf->address))return VM_FAULT_OOM;......page = alloc_zeroed_user_highpage_movable(vma, vmf->address);......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);......set_pte_at(vma->vm_mm, vmf->address, vmf->pte, entry);......}
第二种情况映射到文件do_fault，最终我们会调用__do_fault。
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;}
这里调用了struct vm_operations_struct vm_ops的fault函数。还记得咱们上面用mmap映射文件的时候，对于ext4文件系统，vm_ops指向了ext4_file_vm_ops，也就是调用了ext4_filemap_fault。
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){struct inode *inode = file_inode(vmf->vma->vm_file);......err = filemap_fault(vmf);......return err;}
ext4_filemap_fault里面的逻辑我们很容易就能读懂。vm_file就是咱们当时mmap的时候映射的那个文件，然后我们需要调用filemap_fault。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。如果找到了，就调用do_async_mmap_readahead，预读一些数据到内存里面；如果没有，就跳到no_cached_page。
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;......page = find_get_page(mapping, offset);if (likely(page) && !(vmf->flags & FAULT_FLAG_TRIED)) {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:error = page_cache_read(file, offset, vmf->gfp_mask);......}
如果没有物理内存中的缓存页，那我们就调用page_cache_read。在这里显示分配一个缓存页，将这一页加到lru表里面，然后在address_space中调用address_space_operations的readpage函数，将文件内容读到内存中。address_space的作用咱们上面也介绍过了。
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;......page = __page_cache_alloc(gfp_mask|__GFP_COLD);......ret = add_to_page_cache_lru(page, mapping, offset, gfp_mask & GFP_KERNEL);......ret = mapping->a_ops->readpage(file, page);......}
struct address_space_operations对于ext4文件系统的定义如下所示。这么说来，上面的readpage调用的其实是ext4_readpage。因为我们还没讲到文件系统，这里我们不详细介绍ext4_readpage具体干了什么。你只要知道，最后会调用ext4_read_inline_page，这里面有部分逻辑和内存映射有关就行了。
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;......kaddr = kmap_atomic(page);ret = ext4_read_inline_data(inode, kaddr, len, &iloc);flush_dcache_page(page);kunmap_atomic(kaddr);......}
在ext4_read_inline_page函数里，我们需要先调用kmap_atomic，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。 我们在前面提到过kmap_atomic，它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。临时映射后，ext4_read_inline_data读取文件到这个虚拟地址。读取完毕后，我们取消这个临时映射kunmap_atomic就行了。
至于kmap_atomic的具体实现，我们还是放到内核映射部分再讲。
我们再来看第三种情况，do_swap_page。之前我们讲过物理内存管理，你这里可以回忆一下。如果长时间不用，就要换出到硬盘，也就是swap，现在这部分数据又要访问了，我们还得想办法再次读到内存中来。
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);......page = lookup_swap_cache(entry);if (!page) {page = swapin_readahead(entry, GFP_HIGHUSER_MOVABLE, vma,vmf->address);......}......swapcache = page;......pte = mk_pte(page, vma->vm_page_prot);......set_pte_at(vma->vm_mm, vmf->address, vmf->pte, pte);vmf->orig_pte = pte;......swap_free(entry);......}
do_swap_page函数会先查找swap文件有没有缓存页。如果没有，就调用swapin_readahead，将swap文件读到内存中来，形成内存页，并通过mk_pte生成页表项。set_pte_at将页表项插入页表，swap_free将swap文件清理。因为重新加载回内存了，不再需要swap文件了。
swapin_readahead会最终调用swap_readpage，在这里，我们看到了熟悉的readpage函数，也就是说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。
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;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。
为了加快映射速度，我们不需要每次从虚拟地址到物理地址的转换都走一遍页表。
页表一般都很大，只能存放在内存中。操作系统每次访问内存都要折腾两步，先通过查询页表得到物理地址，然后访问该物理地址读取指令、数据。
为了提高映射速度，我们引入了TLB（Translation Lookaside Buffer），我们经常称为快表，专门用来做地址映射的硬件设备。它不在内存中，可存储的数据比较少，但是比内存要快。所以，我们可以想象，TLB就是页表的Cache，其中存储了当前最可能被访问到的页表项，其内容是部分页表项的一个副本。
有了TLB之后，地址映射的过程就像图中画的。我们先查块表，块表中有映射关系，然后直接转换为物理地址。如果在TLB查不到映射关系时，才会到内存中查询页表。
总结时刻
用户态的内存映射机制，我们解析的差不多了，我们来总结一下，用户态的内存映射机制包含以下几个部分。
用户态内存映射函数mmap，包括用它来做匿名映射和文件映射。
用户态的页表结构，存储位置在mm_struct中。
在用户态访问没有映射的内存会引发缺页异常，分配物理页表、补齐页表。如果是匿名映射则分配物理内存；如果是swap，则将swap文件读入；如果是文件映射，则将文件读入。
课堂练习
你可以试着用mmap系统调用，写一个程序来映射一个文件，并读取文件的内容。
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