brk() 和 mmap() 記憶體映射

參考博文：http://www.cnblogs.com/huxiao-tee/p/4660352.html

• x86平臺下linux進程虛擬地址空間分佈（2.6.7以前版本）
• 

　　　　mmap區域與棧區域相對增長，只有1GB連續的虛擬地址空間可用。

• x86平臺下linux進程虛擬地址空間分佈（2.6.7以後版本）

Random stack offset：由於之前棧的地址是固定的，容易被人利用棧溢出進行攻擊，這裡棧每次有一個偏移量。

RLIMIT_STACK：向棧中壓入數據容量超過棧的容量時，會觸發page fault，異常會檢測到最近的虛擬地址空間，發現產生異常的地址與棧相鄰，會擴大棧的大小（一般是8M）。如果棧被加長，棧針回退時不會再收縮，如果stack overflow則會導致segment fault。

Memory Mapping Segment:記憶體映射的位置，一種高效I/O，後面會細說。

• 對heap的操作函數  brk() 和 sbrk()　　

　　　　　 int brk(void *addr);

　　　　void sbrk(intptr_t increment);

　　　　內核數據結構mm_struct中 start_brk是進程動態分配的起始地址（heap的起始地址），brk 是堆當前最後的地址。　　　　　　

　　　　首先program break就是當前brk的位置，所以他是數據段初始化結束後heap的第一個位置，而不是heap的尾部。

　　　　sbrk()是庫函數，brk()是系統調用,相對於庫函數來說一般系統調用會提供相對簡單的工作。都是改變brk的值來擴展收縮堆（increment 為負數時收縮）。

• mmap 映射區函數

　　　1.基礎概念

　　　　mmap 是一種記憶體映射方法，將一個文件或其他對象映射到進程的地址空間，實現文件磁碟地址和進程虛擬地址一一對應的關係。內核空間對這塊區域的改變也直接反應到用戶空間，實現不同進程的文件共用。

　　　　linux內核使用vm_area_struct結構表示一個獨立的虛擬記憶體區域，一個進程使用多個vm_area_struct來分別表示不同類型的虛擬記憶體區域.

　　　　當vm_area_struct數目較少時，按照升序以單戀表的形式組織結構，在數目較多時使用AVL樹來實現。

v

mmap函數是創建一個新的vm_area_struct結構，並將其與物理地址相連。

　　　2.  mmap記憶體映射原理

　　　　分為三個階段

• 進程啟動映射過程，併在虛擬地址空間中為映射創建虛擬映射區域　　

　　　　　　　1>進程在用戶空間調用mmap。

　　　　　　　原型：void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

　　　　　　　2>在當前進程的虛擬地址空間中，尋找一段空間滿足要求的連續的虛擬地址。

　　　　　　　3>為此虛擬區分配一個vm_area_struct 結構，接著對這個結構的各個域進行初始化

　　　　　　　4>將新建的虛擬結構（vm_area_struct）插入到進程的虛擬地址區的鏈表或數種。

• 調用內核空間的系統調用函數mmap（不同於用戶空間）實現文件物理地址和進程虛擬地址的一一映射關係 

　　　　　　　5>為映射分配了新的虛擬地址區域後，通過待映射的文件指針，在文件描述符表中找到對應的文件描述符，加入到struct file中　

　　　　　　　6>linux中的file_operation結構中定義了不同事件對應的設備驅動函數，其中有  int mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)，其實這個函數就是將用戶空間與設備記憶體相連，也就是對虛擬地址的訪問轉化為對設備的訪問

　　　　　　　7>通過inode模塊找到對應的文件，也就是磁碟的物理地址

　　　　　　　8>建立頁表，實現文件地址和虛擬地址區域的映射關係。這裡只建立了映射關係，主存中沒有對應物理地址的數據。

• 進程發起對這片映射空間的訪問，引發缺頁異常，實現文件內容到主存的拷貝

　　　　　　　9>進程的讀寫，通過查詢頁表發現這一段地址不再物理頁面上，引發缺頁異常

　　　　　　　10>進行缺頁異常判斷，申請調頁

　　　　　　　11>先判斷swap cache中沒有沒需要訪問的記憶體頁，如果沒有調用nopage把所缺德頁從磁碟裝入主存

　　　　　　　12>之後可以進行讀寫，會有一段時間延遲，調用msync（）立即更新。

　　　3. mmap優點總結

　　　　     1>對文件的讀取操作跨過了頁緩存，減少了數據的拷貝次數，使用記憶體讀取代了I/O操作，提高了文件讀取效率。

　　　　2>實現了用戶空間和內核空間的高效交互方式

　　　　3>提供進程間共用記憶體及相互通信方式

　　　　4>實現高效的大規模數據傳輸

還有內核的高端記憶體映射：https://www.cnblogs.com/wuchanming/p/4360277.html