30分鐘搞懂Linux內(nèi)核內(nèi)存映射，（值得大神們收藏）
一、內(nèi)存映射基礎(chǔ)知識(shí)
1、內(nèi)核地址映射模型
比如：X86CPU采用段頁式地址映射模型，進(jìn)程代碼地址為邏輯地址，經(jīng)過段頁式地址映射之后，才能夠真正訪問物理內(nèi)存。32位Linux內(nèi)核地址空間劃分：0GB--3GB為用戶空間，3GB--4GB為內(nèi)核空間。32位和64位內(nèi)核地址空間劃分是不同的。具體空間表示如下：
2、內(nèi)核高端內(nèi)存
比如：當(dāng)內(nèi)核模塊代碼或絡(luò)訪問內(nèi)存時(shí)，代碼中的地址為邏輯地址，而且對(duì)應(yīng)到真正的物理內(nèi)存地址，需要地址和它一對(duì)一的映射，假設(shè)：邏輯地址0xc0000003對(duì)應(yīng)的物理地址為0x3。內(nèi)核邏輯地址空間訪問為0xc0000000--0xFFFFFFFF，那么對(duì)應(yīng)的物理內(nèi)存范圍為0x0--0x40000000。即只能訪問1GB物理內(nèi)存。假設(shè)我們的電腦8GB物理內(nèi)存，那么內(nèi)核就只能訪問前面1GB物理內(nèi)存，剩下7GB物理內(nèi)存它無法訪問，因?yàn)閮?nèi)核的地址空間已經(jīng)全部映射到物理內(nèi)存地址范圍0x--0x40000000。
Linux將內(nèi)核地址空間劃分為三部分：
ZONE_DMA/ZONE_NORMAL/ZONE_HIGHMEM。高端內(nèi)存HIGH_MEM地址空間范圍為0xF8000000--0xFFFFFFFF（896MB-1024MB）。針對(duì)高端內(nèi)存的最基本思想：借一段地址空間，建立臨時(shí)地址映射，用完后釋放，達(dá)到此段地址空間可以循環(huán)使用，訪問所有物理內(nèi)存。
3、內(nèi)存映射
內(nèi)存映射是在進(jìn)程的虛擬地址空間中創(chuàng)建一個(gè)映射，可分為兩種：
A、文件映射（文件支持的內(nèi)存映射，把文件的一個(gè)區(qū)間映射到進(jìn)程的虛擬地址空間，數(shù)據(jù)源是存儲(chǔ)設(shè)備上文件）；?
B、匿名映射（沒有文件支持的內(nèi)存映射，把物理內(nèi)存映射到進(jìn)程的虛擬地址空間，沒有數(shù)據(jù)源）。通常把文件映射的物理頁稱為文件頁，把匿名映射的物理頁稱為匿名頁。
4、根據(jù)修改是否對(duì)其他進(jìn)程可見和是否傳遞到底層文件，內(nèi)存映射分為共享映射和私有映射。
A、共享映射：修改數(shù)據(jù)時(shí)映射相同區(qū)域的其他進(jìn)程可以看見，如果是文件支持的映射，修改會(huì)傳遞到底層文件。?
B、私有映射：第一次修改數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)從數(shù)據(jù)源復(fù)制一個(gè)副本，然后修改副本，其他進(jìn)程看不見，不影響我們的數(shù)據(jù)源。
兩個(gè)進(jìn)程可以使用共享的文件映射實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存。匿名映射通常為私有映射，共享的匿名映射只可能出現(xiàn)在父進(jìn)程和子進(jìn)程之間。在進(jìn)程的虛擬地址空間中，代碼段和數(shù)據(jù)段是私有的文件映射，未初始化數(shù)據(jù)段、堆棧是私有的匿名映射。
5、內(nèi)存映射原理機(jī)制：
創(chuàng)建內(nèi)存映射的時(shí)，在進(jìn)程的用戶虛擬地址空間中分配一個(gè)虛擬內(nèi)存區(qū)域（vm_area_struct）；
Linux內(nèi)核采用延遲分配物理內(nèi)存的策略，在進(jìn)程第一次訪問虛擬頁的時(shí)候，產(chǎn)生缺頁異常，如果是文件映射，那么分配物理頁，把文件指定區(qū)間的數(shù)據(jù)讀到物理頁中，然后在頁表中把虛擬頁映射到物理頁；如果你是匿名映射，那么分配物理頁，然后在頁表中把虛擬頁映射到物理頁。
二、應(yīng)用層API系統(tǒng)調(diào)用
Linux內(nèi)核當(dāng)中內(nèi)存管理子系統(tǒng)提供給我們用戶層的系統(tǒng)調(diào)用API函數(shù)，具體如下：
1、用來創(chuàng)建內(nèi)存映射
2、用來刪除內(nèi)存映射
3、專用用來擴(kuò)大或縮小已經(jīng)存在的內(nèi)存映射，可能同時(shí)移動(dòng)
4、用來設(shè)置堆的上界
5、用來創(chuàng)建非線性的文件映射，即文件區(qū)域和虛擬地址空間之間的映射不是線性關(guān)系，現(xiàn)在已不用
6、用來設(shè)置虛擬內(nèi)存區(qū)域的訪問權(quán)限
在Linux空間中可以使用如下函數(shù)：
1、把內(nèi)存的物理頁映射到進(jìn)程的虛擬地址空間，這個(gè)函數(shù)用處是：實(shí)現(xiàn)進(jìn)程和內(nèi)核共享內(nèi)存。
int remap_pfn_range (struct vm_area_struct *vma,unsigned long addr,unsigned long pfn,unsigned long size,pgprot_t prot);
2、把外設(shè)寄存器的物理地址映射到進(jìn)程的虛擬地址空間，進(jìn)程可能直接訪問外設(shè)寄存器。
int io_remap_page_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long virt_addr,unsigned long phys_addr, unsigned long size,pgprot_t prot);
應(yīng)用層當(dāng)中應(yīng)用程序通過使用C標(biāo)準(zhǔn)庫提供的函數(shù)malloc()申請(qǐng)內(nèi)存。glibc庫的內(nèi)存分配器ptmalloc使用brk或mmap向內(nèi)核以頁為單位申請(qǐng)?zhí)摂M內(nèi)存，然后把頁劃分成小內(nèi)存塊分配給應(yīng)用程序。默認(rèn)的閾值為128KB，如果應(yīng)用程序申請(qǐng)的內(nèi)存長(zhǎng)度小于閾值，ptmalloc分配器使用brk向內(nèi)核申請(qǐng)?zhí)摂M內(nèi)存，否則ptmalloc分配器使用mmap內(nèi)內(nèi)核申請(qǐng)?zhí)摂M內(nèi)存。應(yīng)用程序可以直接使用mmap向內(nèi)核申請(qǐng)?zhí)摂M內(nèi)存。
三、Linux內(nèi)核常用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
1、進(jìn)程描述符
2、內(nèi)存描述符
3、虛擬內(nèi)存區(qū)域
4、mmap系統(tǒng)調(diào)用
a.進(jìn)程創(chuàng)建匿名的內(nèi)存映射，把內(nèi)存的物理頁映射到進(jìn)程的虛擬地址空間；?
b.進(jìn)程把文件映射到進(jìn)程的虛擬地址空間，可以像訪問內(nèi)存一樣訪問文件，不需要調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用read()/write()訪問文件，從面避免用戶模式和內(nèi)核模式之間的切換，提高讀寫文件的速度。?
c.兩個(gè)進(jìn)程針對(duì)同一個(gè)文件創(chuàng)建共享的內(nèi)存映射，實(shí)現(xiàn)共享會(huì)敗在。
函數(shù)原型：
參數(shù)如下：
addr：起始虛擬地址，如果addr為0，內(nèi)核選擇虛擬地址。如果addr為非0，內(nèi)核把這個(gè)參數(shù)作為提示，在附近選擇虛擬地址。
length：映射的長(zhǎng)度，單位是字節(jié)。
prot：保護(hù)位，具體參數(shù)如下：
PROT_EXEC：頁可執(zhí)行 PROT_READ：頁可讀 PROT_WRITE：頁可寫 PROT_NONE：面不可訪問
lags：標(biāo)志，具體參數(shù)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
MAP_HUGETLB：使用巨型頁
MAP_LOCKED：把頁鎖在內(nèi)存中
fd：文件描述符
offset：偏移，單位是字節(jié)，必須是頁長(zhǎng)度的整數(shù)倍。
返回值：
返回起始虛擬地址，否則返回負(fù)的錯(cuò)誤號(hào)。
四、創(chuàng)建/刪除內(nèi)存映射
1、創(chuàng)建內(nèi)存映射
C標(biāo)準(zhǔn)庫封裝函數(shù)mmap()用來創(chuàng)建內(nèi)存映射，內(nèi)核提花POSIX標(biāo)準(zhǔn)定義的系統(tǒng)調(diào)用mmap，內(nèi)核系統(tǒng)調(diào)用sys_mmap()，具體操作流程如下：
函數(shù)sys_mmap_pgoff執(zhí)行流程視圖如下：
a.如果是創(chuàng)建文件映射，根據(jù)文件描述符在進(jìn)程的打開文件表中找到file實(shí)例；
b.如果是創(chuàng)建匿名巨型頁映射，在hugetlbfs文件系統(tǒng)中創(chuàng)建文件“anon_hugepage"，并且創(chuàng)建此文件 的一個(gè)打開實(shí)例file；
c.調(diào)用vm_mmap_pgoff進(jìn)行處理。
