Linux 下的 mmap()

以下希望藉由一個實際可以在user mode運作的API, mmap()讓programmer能夠感受到MMU這個硬體在系統中所扮演的角色

寫linux底下driver的人常常會看到這個東西 mmap()
在user mode program裡面假如你用open( "/dev/xxx", ... )去打開一個檔案系統的節點
就可以用這個file descriptor的handler對他做mmap()的動作
那這個mmap究竟背後藏了哪些意義?又有哪些硬體在工作才能達成?

mmap的字面意義是memory map顧名思義就是『記憶體映對』簡單來看，就是用mmap()幫你做對映
對映好了，對著傳回的address作存取就等於對檔案作存取

1. 首先來看mmap()一般是怎麼被使用的 (這邊可以先不用管要傳什麼參數)

int fd, mapSize, offset, start;
char* ptr;mapSize = 0x1000; /* 希望映對多大的區塊 */

offset = 0;start = 0;

/* 打開檔案 */
fd = open( "/home/tester/a.txt", O_RDWR O_SYNC );

/* 作mmap動作，取得一個對應好的address */
ptr = mmap( 0, map_size, PROT_READPROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, offset );

假如一切順利的話 ptr 就會接到一個address，這個address會對應到a.txt這個檔案所在的起始位置，如果這時候我們用 strcpy( ptr, "hello!!" );a.txt裡面就會被寫入"hello!!"的字串

2. 假如我寫了兩個程式，都是用mmap()到同一個a.txt，程式會不會出問題? 如果不會，那我既然對同一個檔案作mmap(),那我拿到的ptr不是應該是相同的address?

答案是：兩個程式可以正常執行，但是這兩個回傳的address不一定相同。why?

為什麼對同一個檔案寫入，也都做同樣的mmap()動作，甚至傳的參數值都相同。為什麼拿到的address可以是不同的? 更奇怪的是，位址不同，還是同樣寫到同一個檔案上頭。假如這一切都是合理的，那表示雖然這兩個位址不一定相同，其實都是對映同一個地方，表示有某種東西記錄著這個對應關係。而且，兩個program的ptr有時候會一樣，可是有時候又不一樣。唯一個可能是表示兩個process各自保有這些映對的方式。

3. 假設我只寫一個程式，但是mmap()兩次到同一個檔案上呢? 得到的兩個ptr會一樣嗎?答案是：這個兩ptr還是不一樣的，兩個不同program 跑出來的mmap()結果不同也就算了，同一個program呼叫兩次mmap()跑出來的ptr也不一樣，但又都對映著相同的檔案a.txt。因此我們又可以猜測這一個mmap()是動態的，動態去產生一種應對的方式，將傳回的ptr對應到真正的檔案a.txt去，所以同一個process可以對應好幾次，好幾次都用不同的address去對映到相同的檔案上去。

綜合上面三種現象，我們合理的懷疑系統裡面存在了一個東西，它讓每一個process可以動態地記錄address的對應關係。並且，每個process各自擁有這個table，而這些對映的關係會動態的反應在這個table當中。回想一下一個系統有誰會做這種工作，不就是MMU所擔任的重要角色嗎?每個process各自擁有自己的 page table 當他呼叫mmap()的時候，系統就動態地幫她在這個table上寫上紀錄著

[processA-pgtable]
0x00008000 ptr1 --> a.txt
0xa0008000 ptr2 --> a.txt

[processB-pgtable]
0x00008000 ptr1 --> a.txt
0xb0008000 ptr2 --> a.txt

這樣ptr1, ptr2都可以對應到相同的地方，又因為各個process又有不同table，所以有時候ptr1有可能會相同。如此一來，我們終於可以合理的解釋我們觀察mmap()為何對映出來的address會有如此的表現。原來就是MMU被加入，而且OS又被設計成每個process都會各自擁有一個page table來記錄他對記憶體如何解讀。