brk() 和 mmap() 内存映射

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

• x86平台下linux进程虚拟地址空间分布（2.6.7以前版本）
• 

　　　　mmap区域与栈区域相对增长，只有1GB连续的虚拟地址空间可用。

• x86平台下linux进程虚拟地址空间分布（2.6.7以后版本）

Random stack offset：由于之前栈的地址是固定的，容易被人利用栈溢出进行攻击，这里栈每次有一个偏移量。

RLIMIT_STACK：向栈中压入数据容量超过栈的容量时，会触发page fault，异常会检测到最近的虚拟地址空间，发现产生异常的地址与栈相邻，会扩大栈的大小（一般是8M）。如果栈被加长，栈针回退时不会再收缩，如果stack overflow则会导致segment fault。

Memory Mapping Segment:内存映射的位置，一种高效I/O，后面会细说。

• 对heap的操作函数  brk() 和 sbrk()　　

　　　　　 int brk(void *addr);

　　　　void sbrk(intptr_t increment);

　　　　内核数据结构mm_struct中 start_brk是进程动态分配的起始地址（heap的起始地址），brk 是堆当前最后的地址。　　　　　　

　　　　首先program break就是当前brk的位置，所以他是数据段初始化结束后heap的第一个位置，而不是heap的尾部。

　　　　sbrk()是库函数，brk()是系统调用,相对于库函数来说一般系统调用会提供相对简单的工作。都是改变brk的值来扩展收缩堆（increment 为负数时收缩）。

• mmap 映射区函数

　　　1.基础概念

　　　　mmap 是一种内存映射方法，将一个文件或其他对象映射到进程的地址空间，实现文件磁盘地址和进程虚拟地址一一对应的关系。内核空间对这块区域的改变也直接反应到用户空间，实现不同进程的文件共享。

　　　　linux内核使用vm_area_struct结构表示一个独立的虚拟内存区域，一个进程使用多个vm_area_struct来分别表示不同类型的虚拟内存区域.

　　　　当vm_area_struct数目较少时，按照升序以单恋表的形式组织结构，在数目较多时使用AVL树来实现。

v

mmap函数是创建一个新的vm_area_struct结构，并将其与物理地址相连。

　　　2.  mmap内存映射原理

　　　　分为三个阶段

• 进程启动映射过程，并在虚拟地址空间中为映射创建虚拟映射区域　　

　　　　　　　1>进程在用户空间调用mmap。

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

　　　　　　　2>在当前进程的虚拟地址空间中，寻找一段空间满足要求的连续的虚拟地址。

　　　　　　　3>为此虚拟区分配一个vm_area_struct 结构，接着对这个结构的各个域进行初始化

　　　　　　　4>将新建的虚拟结构（vm_area_struct）插入到进程的虚拟地址区的链表或数种。

• 调用内核空间的系统调用函数mmap（不同于用户空间）实现文件物理地址和进程虚拟地址的一一映射关系 

　　　　　　　5>为映射分配了新的虚拟地址区域后，通过待映射的文件指针，在文件描述符表中找到对应的文件描述符，加入到struct file中　

　　　　　　　6>linux中的file_operation结构中定义了不同事件对应的设备驱动函数，其中有  int mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)，其实这个函数就是将用户空间与设备内存相连，也就是对虚拟地址的访问转化为对设备的访问

　　　　　　　7>通过inode模块找到对应的文件，也就是磁盘的物理地址

　　　　　　　8>建立页表，实现文件地址和虚拟地址区域的映射关系。这里只建立了映射关系，主存中没有对应物理地址的数据。

• 进程发起对这片映射空间的访问，引发缺页异常，实现文件内容到主存的拷贝

　　　　　　　9>进程的读写，通过查询页表发现这一段地址不再物理页面上，引发缺页异常

　　　　　　　10>进行缺页异常判断，申请调页

　　　　　　　11>先判断swap cache中没有没需要访问的内存页，如果没有调用nopage把所缺德页从磁盘装入主存

　　　　　　　12>之后可以进行读写，会有一段时间延迟，调用msync（）立即更新。

　　　3. mmap优点总结

　　　　     1>对文件的读取操作跨过了页缓存，减少了数据的拷贝次数，使用内存读取代了I/O操作，提高了文件读取效率。

　　　　2>实现了用户空间和内核空间的高效交互方式

　　　　3>提供进程间共享内存及相互通信方式

　　　　4>实现高效的大规模数据传输

 

还有内核的高端内存映射：https://www.cnblogs.com/wuchanming/p/4360277.html