内存映射
一、内存映射概览
1、内存映射
内存映射是在进程的虚拟地址空间中创建一个映射，分为以下两种。
- （1）文件映射：文件支持的内存映射，把文件的一个区间映射到进程的虚拟地址空间，数据源是存储设备上的文件。
- （2）匿名映射：没有文件支持的内存映射，把物理内存映射到进程的虚拟地址空间，没有数据源。
通常把文件映射的物理页称为文件页，把匿名映射的物理页称为匿名页。
2、共享映射
根据修改是否对其他进程可见和是否传递到底层文件，内存映射分为共享映射和私有映射。
- （1）共享映射：修改数据时映射相同区域的其他进程可以看见，如果是文件支持的映射，修改会传递到底层文件。
- （2）私有映射：第一次修改数据时会从数据源复制一个副本，然后修改副本，其他进程看不见，不影响数据源。
两个进程可以使用共享的文件映射实现共享内存。匿名映射通常是私有映射，共享的匿名映射只可能出现在父进程和子进程之间。
在进程的虚拟地址空间中，代码段和数据段是私有的文件映射，未初始化数据段、堆和栈是私有的匿名映射。
3、映射原理
- （1）创建内存映射的时候，在进程的用户虚拟地址空间中分配一个虚拟内存区域。
- （2）Linux内核采用延迟分配物理内存的策略，在进程第一次访问虚拟页的时候，产生缺页异常。如果是文件映射，那么分配物理页，把文件指定区间的数据读到物理页中，然后在页表中把虚拟页映射到物理页；如果是匿名映射，那么分配物理页，然后在页表中把虚拟页映射到物理页。（把数据放进去，然后在表上登记好。）
二、应用编程接口
内存管理子系统提供了以下常用的系统调用。
1-常用的系统调用
- （1）mmap()用来创建内存映射。
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
- （2）mremap()用来扩大或缩小已经存在的内存映射，可能同时移动。
void *mremap(void *old_address, size_t old_size, size_t new_size, int flags, ... /* void *new_address */);
- （3）munmap()用来删除内存映射。
int munmap(void *addr, size_t length);
- （4）brk()用来设置堆的上界。
int brk(void *addr);
- （5）remap_file_pages()用来创建非线性的文件映射，即文件区间和虚拟地址空间之间的映射不是线性关系，现在被废弃了。
- （6）mprotect()用来设置虚拟内存区域的访问权限。
int mprotect(void *addr, size_t len, int prot);
- （7）madvise()用来向内核提出内存使用的建议，应用程序告诉内核期望怎样使用指定的虚拟内存区域，以便内核可以选择合适的预读和缓存技术。
int madvise(void *addr, size_t length, int advice);
2-内核空间中可以使用两个函数
- （1）remap_pfn_range把内存的物理页映射到进程的虚拟地址空间，这个函数的用处是实现进程和内核共享内存。
int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long addr, unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t prot);
- （2）io_remap_pfn_range把外设寄存器的物理地址映射到进程的虚拟地址空间，进程可以直接访问外设寄存器。
int io_remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long addr, unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t prot);
应用程序通常使用C标准库提供的函数malloc()申请内存。
glibc库的内存分配器ptmalloc使用brk或mmap向内核以页为单位申请虚拟内存，然后把页划分成小内存块分配给应用程序。
默认的阈值是128KB，如果应用程序申请的内存长度小于阈值，ptmalloc分配器使用brk向内核申请虚拟内存，否则ptmalloc分配器使用mmap向内核申请虚拟内存。
应用程序可以直接使用mmap向内核申请虚拟内存。
下面来讲讲
3-系统调用mmap()
系统调用mmap()有以下用处。
- （1）进程创建匿名的内存映射，把内存的物理页映射到进程的虚拟地址空间。
- （2）进程把文件映射到进程的虚拟地址空间，可以像访问内存一样访问文件，不需要调用系统调用read()和write()访问文件，从而避免用户模式和内核模式之间的切换，提高读写文件的速度。
- （3）两个进程针对同一个文件创建共享的内存映射，实现共享内存。
函数原型：
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
参数如下：
- （1）addr：起始虚拟地址。如果addr是0，内核选择虚拟地址。如果addr不是0，内核把这个参数作为提示，在附近选择虚拟地址。
- （2）length：映射的长度，单位是字节。
- （3）prot：保护位。
PROT_EXEC：页可执行。 PROT_READ：页可读。 PROT_WRITE：页可写。 PROT_NONE：页不可访问。
- （4）flags：标志。常用的标志如下。
MAP_SHARED：共享映射。 MAP_PRIVATE：私有映射。 MAP_ANONYMOUS：匿名映射。 MAP_FIXED：固定映射，不要把参数addr解释为一个提示，映射的起始地址必须是参数addr，必须是页长度的整数倍。 MAP_HUGETLB：使用巨型页。 MAP_LOCKED：把页锁在内存中。 MAP_NORESERVE：不预留物理内存。 MAP_NONBLOCK：不阻塞，和MAP_POPULATE联合使用才有意义，从Linux 2.6.23开始，该标志导致MAP_POPULATE什么都不做。 MAP_POPULATE：填充页表，即分配并且映射到物理页。如果是文件映射，该标志导致预读文件。
- （5）fd：文件描述符。仅当创建文件映射的时候，这个参数才有意义。如果是匿名映射，有些实现要求参数fd是−1，可移植的应用程序应该保证参数fd是−1。
- （6）offset：偏移，单位是字节，必须是页长度的整数倍。仅当创建文件映射的时候，这个参数才有意义。
返回值：如果成功，返回起始虚拟地址，否则返回负的错误号。
4-系统调用mprotect()
mprotect()用来设置虚拟内存区域的访问权限。
函数原型：
int mprotect(void *addr, size_t len, int prot);
参数如下。
- （1）addr：起始虚拟地址，必须是页长度的整数倍。
- （2）len：虚拟内存区域的长度，单位是字节。
- （3）prot：保护位。
- PROT_EXEC：页可执行。
- PROT_READ：页可读。
- PROT_WRITE：页可写。
- PROT_NONE：页不可访问。
返回值：如果成功，返回0，否则返回负的错误号。
5-系统调用madvise()
madvise()用来向内核提出内存使用的建议，应用程序告诉内核期望怎样使用指定的虚拟内存区域，以便内核可以选择合适的预读和缓存技术。
函数原型：
int madvise(void *addr, size_t length, int advice);
参数如下。
- （1）addr：起始虚拟地址，必须是页长度的整数倍。
- （2）length：虚拟内存区域的长度，单位是字节。
- （3）advice：建议。POSIX标准定义的建议值如下。
- MADV_NORMAL：不需要特殊处理，这是默认值。
- MADV_RANDOM：预期随机访问指定范围的页，预读的用处比较小。
- MADV_SEQUENTIAL：预期按照顺序访问指定范围的页，所以可以激进地预读指定范围的页，并且进程在访问页以后很快释放。
- MADV_WILLNEED：预期很快就会访问指定范围的页，所以可以预读指定范围的页。
- MADV_DONTNEED：预期近期不会访问指定范围的页，即进程已经处理完指定范围的页，内核可以释放相关的资源。
Linux私有的建议值如下。 - MADV_REMOVE：进程想要释放指定范围的页和相关的后备存储。
- MADV_DONTFORK：在执行fork()的时候从子进程的地址空间删掉指定范围的页。
- MADV_DOFORK：取消MADV_DONTFORK，在执行fork()的时候不从子进程的地址空间删掉指定范围的页。
- MADV_HWPOISON：毒化指定范围的页，像内存损坏一样处理对指定范围的页的访问。
- MADV_MERGEABLE：允许KSM（Kernel Samepage Merging，内核相同页合并）合并数据相同的页。
- MADV_UNMERGEABLE：取消MADV_MERGEABLE，不允许合并数据相同的页。
- MADV_SOFT_OFFLINE：使指定范围的页软下线，即内存页被保留，但是下一次访问的时候，把数据复制到新的物理页，旧的物理页下线，对进程不可见。这个特性用来测试处理内存错误的代码。
- MADV_HUGEPAGE：允许指定范围使用透明巨型页。
- MADV_NOHUGEPAGE：不允许指定范围使用透明巨型页。
- MADV_DONTDUMP：生成核心转储文件的时候不要包含指定范围的页。
- MADV_DODUMP：取消MADV_DONTDUMP，生成核心转储文件的时候包含指定范围的页。
- MADV_FREE：从4.5版本开始支持，进程不再需要指定范围的页，内核可以释放这些页，释放可以延迟到内存不足的时候。
返回值：如果成功，返回0，否则返回负的错误号。
内容来自前辈书籍：《Linux内核深度解析》
