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11.Lab Ten —— mmap

article 2024/10/11 16:46:01

内存映射文件（Memory-Mapped File）是一种将文件内容映射到进程的虚拟地址空间的技术，使得文件的内容可以像内存一样被访问。

通过内存映射文件，可以高效地访问和操作文件内容

首先切换到mmap分支

git checkout mmap
make clean

在Makefile中添加 $U/_mmaptest，同时添加mmap和munmap系统调用的声明定义，包括kernel/syscall.h, kernel/syscall.c, user/usys.pl 和 user/user.h.

2.在 kernel/proc.h 中定义VMA结构体及数组

VMA存储了mmap-ed的信息，当一个进程调用mmap后，kernel会将已经mmap的信息记录到进程的一个VMA数组中（一次mmap对应一个VMA），strcut proc中有一个vma_pool字段存储所有的VMA，是一个固定大小的数组，当在mmap需要存储一个VMA时，就是从vma_pool中找一个空闲的位置并将VMA放进去

MAX_VMA_POOL定义为16

VMA结构体字段含义：

used：表明VMA是否已经使用，用于在vma_pool中寻空闲位置
addr：在内存中映射的内存地址
length：映射的大小
prot：mmap参数中的权限
flags：mmap参数中的flags
offset：mmap参数中的offset，一般恒为0
f：要映射的文件

3.在kernel/proc.c中的allocproc函数（分配新的进程结构体）中增加对vma_pool的初始化

4.在kernel/proc.c中实现vma_pool中分配和释放VMA的逻辑vma_alloc和vma_fre，同时将函数放到defs.h中

5. 实现sys_mmap()逻辑（有关mmap的系统调用已经在最开始设置好）

调用system call传入参数，检查权限，然后从vma_pool中分配一个空的vma位置，将其填充mmap的相关信息

6.实现sys_munmap()逻辑

解析调用system call的参数，在vma_pool中找到munmap的内存地址所对应的VMA，根据VMA的信息，将修改数据回写到文件中，然后更新VMA的信息，同时如果发现当初mmap的内存全部munmap，那就释放VMA

int
munmap_impl(uint64 addr, int length)
{
  struct proc *p = myproc();

  // 在 vma pool 中找到 addr 对应的 vma
  struct VMA *vma = 0;
  int i;
  for (i = 0; i < MAX_VMA_POOL; i++) {
    vma = p->vma_pool + i;
    if (vma->used == 1 && addr >= vma->addr && (addr + length) < (vma->addr + vma->length)) {
      break;
    }
  }
  if (i > MAX_VMA_POOL) {
    return -1;
  }
  // 根据 vma 的信息，将数据回写入文件中
  uint64 begin_addr = addr;
  uint64 end_addr = addr + length;
  if (vma->flags == MAP_SHARED && vma->f->writable) {
    uint64 cur_addr = begin_addr;
    while (cur_addr < end_addr) {
      int sz = end_addr - cur_addr >= PGSIZE? PGSIZE: end_addr - cur_addr;
      begin_op();
      ilock(vma->f->ip);
      if (writei(vma->f->ip, 1, cur_addr, cur_addr - vma->addr, sz) != sz) {
        return -1;
      }
      iunlock(vma->f->ip);
      end_op();
      uvmunmap(p->pagetable, cur_addr, 1, 1);
      cur_addr += PGSIZE;
    }
  }
  // 完成回写后，更新 vma 中的信息
  //如果头部的取消映射，那么前面length地址长度的空间都无效了，所以需要+length
  if (addr == vma->addr) {  // 说明 addr 是 mmap 内存的头部
    vma->addr += length;
    vma->length -= length;
    //如果不是头部而是尾部，那其实对vma的起始位置没有影响，直接长度减减即可
  } else if (addr + length == vma->addr + vma->length) { // 说明 addr 是 mmap 的尾部
    vma->length -= length;
  }
  // 如果 mmap 的内存全部被 munmmap，那需要释放 vma 以及对 file 的引用
  if (vma->length == 0 && vma->used == 1) {
    filedup(vma->f);
    vma->used = 0;
  }
  return 0;
}


uint64 sys_munmap(void){
  uint64 addr;
  int length;
  if(argaddr(0,&addr) < 0 || argint(1,&length) < 0){
    return -1;
  }
  return (uint64) munmap_impl(addr,length);
}

7.在kernel/trap.c中的usertrap增加对page fault的处理，因为mmap只是分配了虚拟内存，并没有分配物理内存，当用户访问mmap的内存时会产生page fault，所以需要分配实际的物理内存