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2 years ago
# 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_SIZE
units */
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。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/f0/45/f0dcb83fcaa4f185a8e36c9d28f12345.jpg)
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 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;
}
......
}
```
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 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。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/9b/f1/9b802943af4e3ae80ce4d0d7f2190af1.jpg)
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 the
ptes in non-PAE, or shared PMD in PAE), then just copy the
references 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](https://time.geekbang.org/column/article/93251)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pgdmm\_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);
else
return 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。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/94/b3/94efd92cbeb4d4ff155a645b93d71eb3.jpg)
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。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/78/44/78d351d0105c8e5bf0e49c685a2c1a44.jpg)
## 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。
欢迎留言和我分享你的疑惑和见解,也欢迎你收藏本节内容,反复研读。你也可以把今天的内容分享给你的朋友,和他一起学习、进步。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/8c/37/8c0a95fa07a8b9a1abfd394479bdd637.jpg)