虛存映射

我們知道，程序是存儲在磁盤上到靜態(tài)文件；進(jìn)程是對程序到一次運行過程。在進(jìn)程開始運行時，進(jìn)程的代碼和數(shù)據(jù)等內(nèi)容必須裝入到進(jìn)程用戶空間到適當(dāng)區(qū)域。這些區(qū)域也就是所謂的代碼段和數(shù)據(jù)段等，而被裝入的數(shù)據(jù)和代碼等內(nèi)容被稱為進(jìn)程的可執(zhí)行映像。從上面都描述中可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)程在運行時并不是將程序一下子就裝入到物理內(nèi)存，而只是將程序裝入到進(jìn)程的用戶空間，這個裝入的過程稱為虛存映射。

一個源程序在成為可執(zhí)行文件的過程中會經(jīng)歷預(yù)處理、編譯、匯編和鏈接四個階段。因此，進(jìn)程要成功運行不僅要在其用戶空間裝入進(jìn)程映像，也要裝入該進(jìn)程所用到到函數(shù)庫以及鏈接程序等。所以，一個進(jìn)程到用戶空間就被分為若干個內(nèi)存區(qū)域。linux使用mm_struct結(jié)構(gòu)來描述一個進(jìn)程到用戶地址空間，使用vm_area_struct結(jié)構(gòu)來描述進(jìn)程地址空間中的一個內(nèi)存區(qū)域。因此，一個vm_area_struct結(jié)構(gòu)可能代表進(jìn)程到數(shù)據(jù)段，也可能代表鏈接程序到代碼段等。

進(jìn)程的虛存映射所做的只是將磁盤上到文件映射到該進(jìn)程的用戶地址空間，并沒有建立虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存的映射。當(dāng)某個可執(zhí)行映像映射到進(jìn)程用戶空間并開始執(zhí)行時，只有很少一部分虛擬頁被裝入了物理內(nèi)存。在進(jìn)程后續(xù)到執(zhí)行過程中，如果需要訪問到數(shù)據(jù)并不在物理內(nèi)存中，則產(chǎn)生一個缺頁中斷（其實是異常），將所需頁從交換區(qū)或磁盤中調(diào)入物理內(nèi)存，這個過程即虛擬內(nèi)存中到請頁機制。

進(jìn)程到虛存區(qū)

那么對于一個任意的進(jìn)程，我們可以通過下面到方法查看其地址空間中到內(nèi)存區(qū)域。

我們先看一個簡單的測試程序：

#include < stdio.h >    
#include < stdlib.h >      
int main()    
{    
 int i=1;    
 char *str=NULL;    
 printf("hello,world!\n");    
 str=(char *)malloc(sizeof(char)*1119);    
 sleep(1000);    
 return 0;    
}  

這個程序中使用到了malloc函數(shù)，因此str變量存儲于堆中。我們通過打印/proc/3530/maps文件，即可看到該進(jìn)程的內(nèi)存空間劃分。其中3530是該進(jìn)程的id。

edsionte@edsionte-desktop:~$ cat /proc/3530/maps    
0014a000-00165000 r-xp 00000000 08:07 398276 /lib/ld-2.11.1.so    
00165000-00166000 r--p 0001a000 08:07 398276 /lib/ld-2.11.1.so    
00166000-00167000 rw-p 0001b000 08:07 398276 /lib/ld-2.11.1.so    
001d8000-0032b000 r-xp 00000000 08:07 421931 /lib/tls/i686/cmov/libc-2.11.1.so    
0032b000-0032c000 ---p 00153000 08:07 421931 /lib/tls/i686/cmov/libc-2.11.1.so    
0032c000-0032e000 r--p 00153000 08:07 421931 /lib/tls/i686/cmov/libc-2.11.1.so    
0032e000-0032f000 rw-p 00155000 08:07 421931 /lib/tls/i686/cmov/libc-2.11.1.so    
0032f000-00332000 rw-p 00000000 00:00 0    
00441000-00442000 r-xp 00000000 00:00 0 [vdso]    
08048000-08049000 r-xp 00000000 08:09 326401 /home/edsionte/test    
08049000-0804a000 r--p 00000000 08:09 326401 /home/edsionte/test    
0804a000-0804b000 rw-p 00001000 08:09 326401 /home/edsionte/test    
08958000-08979000 rw-p 00000000 00:00 0 [heap]    
b78ce000-b78cf000 rw-p 00000000 00:00 0    
b78dd000-b78e0000 rw-p 00000000 00:00 0    
bfa6a000-bfa7f000 rw-p 00000000 00:00 0 [stack]  

每一行信息依次顯示的內(nèi)容為內(nèi)存區(qū)域其實地址-終止地址，訪問權(quán)限，偏移量，主設(shè)備號：次設(shè)備號，inode，文件。

上面的信息不但包含了test可執(zhí)行對象的各內(nèi)存區(qū)域，而且還分別顯示了 /lib/ld-2.11.1.so（動態(tài)連接程序）文件和/lib/tls/i686/cmov/libc-2.11.1.so（C庫）文件的內(nèi)存區(qū)域信息。

我們從某個內(nèi)存區(qū)域的訪問權(quán)限上可以大致判斷該區(qū)域的類型。各個屬性符號的意義為：r-read，w-write，x-execute，s-shared，p-private。因此，r-x一般代表程序的代碼段，即可讀，可執(zhí)行。rw-可能代表數(shù)據(jù)段，BSS段和堆棧段等，即可讀，可寫。堆棧段從行信息的文件名就可以區(qū)分；如果某行信息的文件名為空，那么可能是BSS段。另外，上述test進(jìn)程共享了內(nèi)核動態(tài)庫，所以在00441000-00442000行處文件名顯示為vdso（Virtual Dynamic Shared Object）。

mmap系統(tǒng)調(diào)用

通過mmap系統(tǒng)調(diào)用可以在進(jìn)程到用戶空間中創(chuàng)建一個新到虛存區(qū)。該系統(tǒng)調(diào)用到原型如下：

#include    
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);  

該函數(shù)可以將以打開的文件映射到進(jìn)程用戶空間到一片內(nèi)存區(qū)上，執(zhí)行成功后，該函數(shù)返回這段映射區(qū)到首地址。用戶得到這片虛存的首地址后，就可以像訪問內(nèi)存那樣訪問文件。

該系統(tǒng)調(diào)用的參數(shù)說明如下：

addr：映射到用戶地址空間到起始地址；

length：映射區(qū)以字節(jié)為單位到長度；

prot：對映射區(qū)到訪問模式。包括PROT_EXEC（可執(zhí)行），PROT_READ （可讀），PROT_WRITE（可寫），PROT_NONE（文件不可訪問）。這個訪問模式不能超過所映射文件到打開模式。比如被映射的文件打開模式為只讀，那么此處到訪問模式不能是可讀寫的。

flags：這個字段比較靈活，不同到標(biāo)志有不同的功能，具體如下：

MAP_SHARED：創(chuàng)建一個可被子進(jìn)程共享的映射區(qū)；

MAP_PRIVATE：創(chuàng)建一個“寫實復(fù)制”的映射區(qū)；

MAP_ANONYMOUS：創(chuàng)建一個匿名到映射區(qū)，該虛存區(qū)與進(jìn)程無關(guān)；

fd：所要映射到進(jìn)程用戶空間的文件描述符，該文件必須為以打開的文件；

offset：文件的起始映射偏移量；

mmap()舉例

在該程序中，首先以只讀方式打開文件test.c，再通過該文件返回到文件描述符和mmap函數(shù)將test.c文件映射到當(dāng)前進(jìn)程到用戶地址空間中。成功執(zhí)行mmap函數(shù)后，buf被賦值為所映射的虛存區(qū)的首地址。注意，mmap函數(shù)返回的是void型指針，而buf是char型指針。將mmap返回值賦值給buf變量時，自動將void*轉(zhuǎn)化為char*型。

***，就像平常我們使用一個char型指針變量那樣，依次打印出buf中到數(shù)據(jù)。

 #include < stdio.h >    
 #include < sys/mman.h >    
 #include < fcntl.h >    
 int main()    
 {    
 int i,fd;    
 char *buf = NULL;    
 fd = open("./test.c", O_RDONLY);    
 if(fd < 0)    
 {    
 printf("open error\n");    
 return -1;    
 }    
 buf = mmap(NULL, 12, PROT_READ, MAP_PRIVATE ,fd, 0);    
 for(i = 0;i < 12;i++)    
 {    
 printf("%c",buf[i]);    
 }    
 printf("\n");    
 return 0;    
}  

try一下！

原文鏈接：http://edsionte.com/techblog/archives/2244