Linux内核分析之内存管理-11

韩乔落
  2026-01-20 21:39:37 2026-01-20 21:39:37 Created   2026-02-24 14:05:12 2026-02-24 14:05:12 Updated  

第11章：内存映射

基于 Linux 6.12.38 源码

11.1 内存映射概述

11.1.1 mmap 系统调用

mmap (memory map) 是 Linux 提供的一种内存映射机制，可以将文件或设备映射到进程的虚拟地址空间。

映射类型:

  • 文件映射: 将文件映射到内存
  • 匿名映射: 不映射文件，用于内存分配
  • 共享映射: 多个进程共享映射
  • 私有映射: 写时复制 (COW)

11.1.2 映射示例

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/* 匿名映射 (malloc 实现) */
void *ptr = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE,
                  MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

/* 文件映射 */
int fd = open("file.txt", O_RDWR);
void *ptr = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE,
                  MAP_SHARED, fd, 0);

/* 解除映射 */
munmap(ptr, size);

11.2 mmap 系统调用

11.2.1 sys_mmap_pgoff

位置: mm/mmap.c

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SYSCALL_DEFINE6(mmap, unsigned long, addr, unsigned long, len,
               unsigned long, prot, unsigned long, flags,
               unsigned long, fd, unsigned long, off)
{
    return ksys_mmap_pgoff(addr, len, prot, flags, fd, off >> PAGE_SHIFT);
}

static unsigned long ksys_mmap_pgoff(unsigned long addr, unsigned long len,
                                    unsigned long prot, unsigned long flags,
                                    unsigned long fd, unsigned long pgoff)
{
    struct mm_struct *mm = current->mm;
    unsigned long retval;

    /* 1. 参数校验 */
    if (!(flags & MAP_FIXED))
        addr = round_hint_to_min(addr);

    len = PAGE_ALIGN(len);
    if (!len)
        return -EINVAL;

    /* 2. 查找未使用的虚拟地址区域 */
    addr = get_unmapped_area(file, addr, len, pgoff, flags);
    if (addr & ~PAGE_MASK)
        return addr;

    /* 3. 执行映射 */
    retval = vm_mmap_pgoff(addr, len, prot, flags, fd, pgoff);

    return retval;
}

11.2.2 mmap 标志

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/* mmap 标志定义 */
#define MAP_SHARED       0x01    /* 共享映射 */
#define MAP_PRIVATE      0x02    /* 私有映射 (COW) */
#define MAP_FIXED        0x10    /* 固定地址映射 */
#define MAP_ANONYMOUS    0x20    /* 匿名映射 */
#define MAP_GROWSDOWN    0x0100  /* 向下增长 (栈) */
#define MAP_DENYWRITE    0x0800  /* 拒绝写入 */
#define MAP_EXECUTABLE   0x1000  /* 可执行 */
#define MAP_LOCKED       0x2000  /* 锁定内存 */
#define MAP_NORESERVE    0x4000  /* 不保留交换空间 */
#define MAP_POPULATE     0x8000  /* 预分配页面 */
#define MAP_NONBLOCK     0x10000 /* 非阻塞 */
#define MAP_STACK        0x20000 /* 映射用于栈 */
#define MAP_HUGETLB      0x40000 /* 使用巨页 */
#define MAP_SYNC         0x80000 /* 同步写 */
#define MAP_FIXED_NOREPLACE 0x100000 /* 固定地址，不替换 */

11.2.3 保护标志

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/* mmap 保护标志 (与 VMA 标志对应) */
#define PROT_READ       0x1     /* 可读 */
#define PROT_WRITE      0x2     /* 可写 */
#define PROT_EXEC       0x4     /* 可执行 */
#define PROT_SEM        0x8     /* 用于 IPC (已废弃) */
#define PROT_NONE       0x0     /* 不可访问 */
#define PROT_GROWSDOWN  0x01000000 /* 向下增长 */
#define PROT_GROWSUP    0x02000000 /* 向上增长 */

11.3 do_mmap 实现

11.3.1 核心映射函数

位置: mm/mmap.c

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static unsigned long do_mmap(struct file *file, unsigned long addr,
                             unsigned long len, unsigned long prot,
                             unsigned long flags, unsigned long pgoff,
                             unsigned long *populate)
{
    struct mm_struct *mm = current->mm;
    struct vm_area_struct *vma;
    int error;

    /* 1. 参数校验 */
    if (flags & MAP_FIXED) {
        /* 固定地址映射 */
        if (addr & ~PAGE_MASK)
            return -EINVAL;
    } else {
        /* 动态选择地址 */
        addr = get_unmapped_area(file, addr, len, pgoff, flags);
        if (IS_ERR_VALUE(addr))
            return addr;
    }

    len = PAGE_ALIGN(len);
    if (!len)
        return -ENOMEM;

    /* 2. 创建 VMA */
    vma = vm_area_alloc(mm);
    if (!vma)
        return -ENOMEM;

    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;

    /* 3. 设置 VMA 操作 */
    if (file)
        vma->vm_ops = file->f_op->mmap;

    /* 4. 插入 VMA */
    error = mmap_region(file, addr, len, vm_flags, pgoff, vma);
    if (error)
        return error;

    /* 5. 预填充页面 (如果需要) */
    if (populate && (vm_flags & MAP_POPULATE)) {
        error = populate_vma_page_range(vma);
        if (error)
            return error;
    }

    return addr;
}

11.3.2 mmap 流程

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mmap(addr, len, prot, flags, fd, offset)
        │
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┌──────────────────────────────────────┐
│ 1. 参数校验                         │
│    - 校验标志                       │
│    - 对齐长度                       │
└──────────────────────────────────────┘
        │
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┌──────────────────────────────────────┐
│ 2. 查找未使用的虚拟地址区域         │
│    - get_unmapped_area              │
└──────────────────────────────────────┘
        │
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┌──────────────────────────────────────┐
│ 3. 创建 VMA                         │
│    - vm_area_alloc                  │
└──────────────────────────────────────┘
        │
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┌──────────────────────────────────────┐
│ 4. 设置 VMA 属性                     │
│    - vm_start, vm_end               │
│    - vm_flags, vm_page_prot         │
│    - vm_pgoff                       │
└──────────────────────────────────────┘
        │
        ▼
┌──────────────────────────────────────┐
│ 5. 插入 VMA                         │
│    - mmap_region                    │
└──────────────────────────────────────┘
        │
        ▼
┌──────────────────────────────────────┐
│ 6. 预填充页面 (可选)                 │
│    - populate_vma_page_range        │
└──────────────────────────────────────┘

11.4 mprotect 系统调用

11.4.1 sys_mprotect

位置: mm/mprotect.c

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SYSCALL_DEFINE3(mprotect, unsigned long, start, size_t, len,
               unsigned long, prot)
{
    struct mm_struct *mm = current->mm;
    unsigned long end, nstart, nend;
    struct vm_area_struct *vma;

    /* 1. 参数校验 */
    end = start + len;
    if (end < start)
        return -EINVAL;

    /* 2. 查找 VMA */
    vma = find_vma(mm, start);
    if (!vma)
        return -ENOMEM;

    /* 3. 修改保护 */
    while (start < end) {
        unsigned long newflags;

        nstart = start;
        nend = end;

        /* 分割 VMA */
        if (start > vma->vm_start)
            nstart = start;
        if (end < vma->vm_end)
            nend = end;

        /* 计算新标志 */
        newflags = calc_vm_prot_bits(prot, 0);
        newflags |= (vma->vm_flags & ~(VM_READ | VM_WRITE | VM_EXEC));

        /* 更新 VMA */
        error = mprotect_fixup(vma, &prev, nstart, nend, newflags);
        if (error)
            return error;

        start = nend;
        vma = prev->vm_next;
    }

    return 0;
}

11.4.2 使用示例

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/* 分配内存 */
void *ptr = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE,
                  MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

/* 修改为只读 */
mprotect(ptr, 4096, PROT_READ);

/* 修改为可执行 */
mprotect(ptr, 4096, PROT_READ | PROT_EXEC);

/* 解除映射 */
munmap(ptr, 4096);

11.5 munmap 系统调用

11.5.1 sys_munmap

位置: mm/mmap.c

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SYSCALL_DEFINE2(munmap, unsigned long, addr, size_t, len)
{
    struct mm_struct *mm = current->mm;
    struct vm_area_struct *vma;
    unsigned long end;

    /* 1. 参数校验 */
    end = addr + len;
    if (end < addr)
        return -EINVAL;

    /* 2. 查找 VMA */
    while ((vma = find_vma(mm, addr)) != NULL) {
        /* 删除 VMA */
        detach_vmas_to_be_unmapped(mm, vma, prev, end);

        /* 释放资源 */
        unmap_region(mm, vma, prev, start, end);

        break;
    }

    return 0;
}

11.5.2 解除映射流程

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munmap(addr, len)
        │
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┌──────────────────────────────────────┐
│ 1. 参数校验                         │
│    - 校验地址范围                   │
└──────────────────────────────────────┘
        │
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┌──────────────────────────────────────┐
│ 2. 查找 VMA                         │
│    - find_vma                       │
└──────────────────────────────────────┘
        │
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┌──────────────────────────────────────┐
│ 3. 分离 VMA                         │
│    - detach_vmas_to_be_unmapped     │
└──────────────────────────────────────┘
        │
        ▼
┌──────────────────────────────────────┐
│ 4. 解除映射                         │
│    - unmap_region                   │
│    - 释放页表                       │
│    - 释放页面                       │
└──────────────────────────────────────┘

11.6 mremap 系统调用

11.6.1 sys_mremap

位置: mm/mmap.c

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SYSCALL_DEFINE5(mremap, unsigned long, addr, unsigned long, old_len,
               unsigned long, new_len, unsigned long, flags,
               unsigned long, new_addr)
{
    struct mm_struct *mm = current->mm;
    struct vm_area_struct *vma;

    /* 1. 参数校验 */
    old_len = PAGE_ALIGN(old_len);
    new_len = PAGE_ALIGN(new_len);

    if (flags & MREMAP_FIXED) {
        /* 固定地址重映射 */
        if (new_addr & ~PAGE_MASK)
            return -EINVAL;
    }

    /* 2. 查找 VMA */
    vma = find_vma(mm, addr);
    if (!vma)
        return -EFAULT;

    /* 3. 执行重映射 */
    return do_mremap(addr, old_len, new_len, flags, new_addr);
}

11.6.2 do_mremap 实现

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static unsigned long do_mremap(unsigned long addr,
                              unsigned long old_len, unsigned long new_len,
                              unsigned long flags, unsigned long new_addr)
{
    struct mm_struct *mm = current->mm;
    struct vm_area_struct *vma;
    unsigned long ret = -EINVAL;

    if (flags & MREMAP_FIXED) {
        /* 固定地址重映射 */
        if (new_addr & ~PAGE_MASK)
            goto out;

        if (new_len > TASK_SIZE || new_addr > TASK_SIZE - new_len)
            goto out;
    }

    /* 查找 VMA */
    vma = find_vma(mm, addr);
    if (!vma || vma->vm_start != addr)
        goto out;

    if (old_len != vma->vm_end - addr)
        goto out;

    /* 缩小映射 */
    if (new_len <= old_len) {
        ret = do_munmap(mm, addr + new_len, old_len - new_len);
        if (ret && old_len != new_len)
            ret = addr;
        goto out;
    }

    /* 扩大映射 */
    if (new_len > old_len) {
        /* 扩大映射 */
        ret = mremap_to(addr, old_len, new_len, flags, new_addr);
    }

out:
    return ret;
}

11.7 msync 系统调用

11.7.1 sys_msync

位置: mm/msync.c

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SYSCALL_DEFINE3(msync, unsigned long, addr, size_t, length, int, flags)
{
    struct mm_struct *mm = current->mm;
    struct vm_area_struct *vma;
    unsigned long start, end;
    int error = 0;

    /* 1. 参数校验 */
    start = untagged_addr(addr);
    end = start + length;

    if (offset_in_page(start))
        return -EINVAL;
    if (!access_ok((void __user *)start, length))
        return -ENOMEM;

    /* 2. 查找 VMA */
    while ((vma = find_vma(mm, start)) != NULL) {
        /* 3. 同步页面到文件 */
        error = sync_page_range(vma, start, end);

        start = vma->vm_end;
        if (start >= end)
            break;
    }

    return error;
}

11.7.2 msync 标志

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#define MS_ASYNC        1   /* 异步写 */
#define MS_INVALIDATE   2   /* 使缓存无效 */
#define MS_SYNC         4   /* 同步写 */

11.8 madvise 系统调用

11.8.1 sys_madvise

位置: mm/madvise.c

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SYSCALL_DEFINE3(madvise, unsigned long, start, size_t, len_in, int, behavior)
{
    struct mm_struct *mm = current->mm;
    unsigned long end, tmp;
    int error;

    /* 1. 参数校验 */
    end = start + len_in;
    if (end < start)
        return -EINVAL;

    /* 2. 查找 VMA */
    while (start < end) {
        struct vm_area_struct *vma;

        vma = find_vma(mm, start);
        if (!vma)
            return -ENOMEM;

        /* 3. 处理建议 */
        error = madvise_behavior(vma, start, end, behavior);
        if (error)
            return error;

        start = vma->vm_end;
    }

    return 0;
}

11.8.2 madvise 建议

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#define MADV_NORMAL     0   /* 无特殊建议 */
#define MADV_RANDOM     1   /* 随机访问 */
#define MADV_SEQUENTIAL  2   /* 顺序访问 */
#define MADV_WILLNEED   3   /* 很快会访问 */
#define MADV_DONTNEED   4   /* 不再需要 */
#define MADV_REMOVE     9   /* 移除页面 */
#define MADV_DONTFORK   10  /* fork 时不复制 */
#define MADV_DOFORK     11  /* fork 时复制 */
#define MADV_MERGEABLE   12  /* 启用 KSM */
#define MADV_UNMERGEABLE 13  /* 禁用 KSM */
#define MADV_HUGEPAGE    14  /* 使用巨页 */
#define MADV_NOHUGEPAGE  15  /* 不使用巨页 */
#define MADV_DONTDUMP    16  /* 不 dump */
#define MADV_DODUMP      17  /* dump */
#define MADV_WIPEONFORK  18  /* fork 时清零 */
#define MADV_KEEPONFORK  19  /* fork 时保留 */

11.9 本章小结

本章介绍了 Linux 6.12 的内存映射：

  1. mmap 概述: 文件映射、匿名映射、共享/私有映射
  2. mmap 系统调用: sys_mmap_pgoff，创建内存映射
  3. mmap 标志: MAP_SHARED、MAP_PRIVATE、MAP_ANONYMOUS 等
  4. do_mmap: 核心映射实现，创建 VMA
  5. mprotect: 修改内存保护权限
  6. munmap: 解除内存映射
  7. mremap: 重新映射内存
  8. msync: 同步内存到文件
  9. madvise: 给出内存使用建议

下一章将介绍匿名内存与页缓存。

  • Title: Linux内核分析之内存管理-11
  • Author: 韩乔落
  • Created at : 2026-01-20 21:39:37
  • Updated at : 2026-02-24 14:05:12
  • Link: https://jelasin.github.io/2026/01/20/Linux内核分析之内存管理-11/
  • License: This work is licensed under CC BY-NC-SA 4.0.
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Linux内核分析之内存管理-11
  1. 第11章：内存映射
    1. 11.1 内存映射概述
      1. 11.1.1 mmap 系统调用
      2. 11.1.2 映射示例
    2. 11.2 mmap 系统调用
      1. 11.2.1 sys_mmap_pgoff
      2. 11.2.2 mmap 标志
      3. 11.2.3 保护标志
    3. 11.3 do_mmap 实现
      1. 11.3.1 核心映射函数
      2. 11.3.2 mmap 流程
    4. 11.4 mprotect 系统调用
      1. 11.4.1 sys_mprotect
      2. 11.4.2 使用示例
    5. 11.5 munmap 系统调用
      1. 11.5.1 sys_munmap
      2. 11.5.2 解除映射流程
    6. 11.6 mremap 系统调用
      1. 11.6.1 sys_mremap
      2. 11.6.2 do_mremap 实现
    7. 11.7 msync 系统调用
      1. 11.7.1 sys_msync
      2. 11.7.2 msync 标志
    8. 11.8 madvise 系统调用
      1. 11.8.1 sys_madvise
      2. 11.8.2 madvise 建议
    9. 11.9 本章小结