linux brk、sbrk、mmap和munmap系统调用

sbrk/brk重新指定数据段的结束位置。sbrk（增量），增量可正可负，也可以是0,，都返回原来的数据段结束地址，失败返回-1,。brk（地址），返回0或者-1。头文件<unistd.h>。sbrk(0)可以取得当前结束地址。没有使用的虚拟内存地址，操作系统就没有映射到物理内存，如果试图访问会差生段错误。指定新的结束位置后如果有整个内存页被空闲出来，这一页就立即被解除映射。

<span style="font-size:18px;">#include <iostream>
#include <unistd.h>
using namespace std;
int main()
{
cout << "pagesize:" << getpagesize() << endl;
int *p = (int*)sbrk(0);
cout << p <<endl;

//int n = *p;//出现段错误
brk(p+8);//终点后移8*4个字节，操作系统把扩展的这段虚拟内存映射到物理内存，但映射以页为基本单位，实际映射的内存会是一页。
for(int i = 0; i < 1025; ++i)//这里小于等于1024的话都不会出现段错误
{
p[i] = i;
}

for(int i = 0; i < 1025; ++i)
{
cout << p[i] << " ";
}
cout << endl;

return 0;
}</span>

18个数的时候



1024个数的时候



1025个数的时候



因为一个页是4096字节，4字节的整数可以存1024个，所以虽然超出终点但是不会出现段错误，只有超出页的范围才会出现段错误。

mmap系统调用（功能）
    void* mmap ( void * addr , size_t len , int prot , int flags ,int fd , off_t offset )

    内存映射函数mmap, 负责把文件内容映射到进程的虚拟内存空间, 通过对这段内存的读取和修改，来实现对文件的读取和修改,而不需要再调用read，write等操作。

    映射存储区位于堆和栈之间：这属于实现细节，各种实现之间可能不同。



mmap系统调用（参数）

      1）addr： 指定映射的起始地址, 通常设为NULL, 由系统指定。

      2）length: 映射到内存的文件长度。

      3） prot：   映射区的保护方式, 可以是:

             PROT_EXEC: 映射区可被执行

             PROT_READ: 映射区可被读取

             PROT_WRITE: 映射区可被写入
     对指定映射存储区的保护要求不能超过文件open模式访问权限。
      4）flags: 映射区的特性, 可以是:

            MAP_SHARED:写入映射区的数据会复制回文件, 且允许其他映射该文件的进程共享。

            MAP_PRIVATE:对映射区的写入操作会产生一个映射区的复制(copy-on-write)的私有副本, 对此区域所做的修改不会写回原文件。（此标志的一种用途是用于调试程序，它将程序文件的正文部分映射至存储区，但允许用户修改其中指令。）
      5）fd: 由open返回的文件描述符, 代表要映射的文件。

      6）offset: 以文件开始处的偏移量, 必须是分页大小的整数倍, 通常为0, 表示从文件头开始映射。
      子进程能够通过fork继承存储映射区（因为子进程复制父进程的地址空间，而存储映射区是该地址空间的一部分）
解除映射

      int munmap(void *start,size_t length)

     功能：取消参数start所指向的映射内存，参数length表示欲取消的内存大小。

    返回值：解除成功返回0，否则返回－1，错误原因存于errno中。
实例分析

mmap系统调用
虚拟内存区域

      虚拟内存区域是进程的虚拟地址空间中的一个同质区间，即具有同样特性的连续地址范围。一个进程的内存映象由下面几部分组成：程序代码、数据、BSS

和栈区域，以及内存映射的区域。

 一个进程的内存区域可以通过查看：/proc/pid/maps

08048000-0804f000 r-xp 00000000 08:01 573748 /sbin/rpc.statd #text

0804f000-08050000 rw-p 00007000 08:01 573748 /sbin/rpc.statd #data

08050000-08055000 rwxp 00000000 00:00 0 #bss

040000000-40015000 r-xp 00000000 08:01 933965 /lib/ld2.3.2.so #text

40015000-40016000 rw-p 00014000 08:01 933965 /lib/ld-2.3.2.so #data

       每一行的域为：start_end perm offset major:minor inode

       1） Start: 该区域起始虚拟地址

       2） End: 该区域结束虚拟地址

       3） Perm: 读、写和执行权限；表示对这个区域，允许进程做什么。这个域的最后一个字符要么是p表示私有的，要么是s表示共享的。

       4） Offset: 被映射部分在文件中的起始地址

       5） Major、minor：主次设备号

       6） Inode：索引结点
vm_area_struct

      Linux内核使用结构vm_area_struct（<linux/mm_types.h>）来描述虚拟内存区域，其中几个主要成员如下：

     1）unsigned long vm_start   虚拟内存区域起始地址

     2）unsigned long vm_end    虚拟内存区域结束地址
     3）unsigned long vm_flags  该区域的标记。如:VM_IO和VM_RESERVED。VM_IO将该VMA标记为内存映射的IO区域，VM_IO会阻止系统将该区域包含在进程的存放转

存(core dump )中，VM_RESERVED标志内存区域不能被换出。
mmap设备操作

      映射一个设备是指把用户空间的一段地址关联到设备内存上。当程序读写这段用户空间的地址时，它实际上是在访问设备。
      mmap设备方法需要完成什么功能？

      mmap方法是file_oprations结构的成员，在mmap系统调用发出时被调用。在此之前，内核已经完成了很多工作。mmap设备方法所需要做的就是建立

虚拟地址到物理地址的页表。

      int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *)
      mmap如何完成页表的建立？

     方法有二：

     1）使用remap_pfn_range一次建立所有页表;

     2）使用nopage VMA方法每次建立一个页表。
     构造页表的工作可由remap_pfn_range函数完成，原型如下：

     int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long addr,unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t prot)
     vma:           虚拟内存区域指针

     virt_addr:   虚拟地址的起始值
     pfn:             要映射的物理地址所在的物理页帧号，可将物理地址>>PAGE_SHIFT得到。

     size:           要映射的区域的大小。

     prot:            VMA的保护属性。

int memdev_mmap(struct file*filp, struct vm_area_struct *vma)

{

Vma->vm_flags |= VM_IO;

Vma->vm_flags |= VM_RESERVED;

if (remap_pfn_range(vma, vma->vm_start,

virt_to_phys(dev- >data)>> PAGE_SHIFT,

size,

vma->vm_page_prot))

return -EAGAIN;

return 0;

}

<span style="font-size:18px;">void *mmap(void *addr, //指定映射到内存哪个地址，一般NULL
size_t length, //长度（字节数）
int prot, //PROT_READ PROT_WRITE PROT_EXEC组合
int flags,  //MAP_SHARED MAP_PRIVATE二选一之后再跟其他标志组合：MAP_ANONYMOUS表示不使用文件(内存自动用0初始化)
int fd, off_t offset);//文件映射时才使用

int munmap(void *addr, size_t length);//取消映射</span>