(undone) MIT6.S081 2023 学习笔记 (Day11: LAB10 mmap)

url: https://pdos.csail.mit.edu/6.1810/2023/labs/mmap.html

---

mmap和munmap系统调用允许UNIX程序对其地址空间进行精细控制。它们可用于进程间共享内存、将文件映射到进程地址空间，并作为用户级页面错误处理方案的一部分，例如课程中讨论的垃圾回收算法。在本实验中，您将向xv6添加mmap和munmap功能，重点关注内存映射文件。

The manual page (run man 2 mmap) shows this declaration for mmap:

void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags,int fd, off_t offset);

mmap 可以通过多种方式调用，但本实验仅需要实现与文件内存映射相关的部分功能。您可以假设 addr 始终为零，这意味着内核应自行决定文件的映射虚拟地址。mmap 会返回该地址，如果失败则返回 0xffffffffffffffff。len 是要映射的字节数，它可能与文件长度不同。prot 表示内存是否应映射为可读、可写和/或可执行；您可以假设 prot 是 PROT_READ 或 PROT_WRITE 或两者兼具。flags 可以是 MAP_SHARED（表示对映射内存的修改应写回文件）或 MAP_PRIVATE（表示不应写回文件），无需实现其他标志位。fd 是要映射的文件的打开文件描述符。您可以假设 offset 为零（即文件中的映射起始位置）。

即使映射相同 MAP_SHARED 文件的进程不共享物理页，也是允许的。

munmap 的手册页（运行 man 2 munmap）显示其声明如下：

int munmap(void *addr, size_t len);

munmap 应移除指定地址范围内的内存映射。如果进程修改了该内存区域且映射方式为 MAP_SHARED，则需先将修改内容写回文件。munmap 可能仅解除部分 mmap 映射区域，但可以假设其操作范围仅限于：从起始位置解除、从末尾解除，或解除整个区域（而不会在区域中间“打洞”解除部分映射）。

你需要实现足够的 mmap 和 munmap 功能，以确保 mmaptest 测试程序能够正常运行。如果 mmaptest 没有用到某个 mmap 的特性，你就不需要实现该特性。

When you’re done, you should see this output:

$ mmaptest
mmap_test starting
test mmap f
test mmap f: OK
test mmap private
test mmap private: OK
test mmap read-only
test mmap read-only: OK
test mmap read/write
test mmap read/write: OK
test mmap dirty
test mmap dirty: OK
test not-mapped unmap
test not-mapped unmap: OK
test mmap two files
test mmap two files: OK
mmap_test: ALL OK
fork_test starting
fork_test OK
mmaptest: all tests succeeded
$ usertests -q
usertests starting
...
ALL TESTS PASSED
$ 

以下是一些提示：

• 首先，将 _mmaptest 添加到 UPROGS 中，并添加 mmap 和 munmap 系统调用，以便编译 user/mmaptest.c。目前，只需从 mmap 和 munmap 返回错误。我们在 kernel/fcntl.h 中为您定义了 PROT_READ 等。运行 mmaptest，它将在第一个 mmap 调用失败。
• 在页面错误处理时懒加载页表。也就是说，mmap 不应分配物理内存或读取文件。相反，在 usertrap 中（或由 usertrap 调用的页面错误处理代码中）执行此操作，就像写时复制实验一样。懒加载的原因是为了确保对大文件的 mmap 快速，并且对大于物理内存的文件的 mmap 成为可能。
• 跟踪每个进程 mmap 映射的内容。定义一个与“应用程序的虚拟内存”讲座中描述的 VMA（虚拟内存区域）相对应的结构。这应该记录由 mmap 创建的虚拟内存范围的地址、长度、权限、文件等。由于 xv6 内核中没有内核内存分配器，因此可以声明一个固定大小的 VMA 数组，并根据需要从中分配。大小为 16 应该足够。
• 实现 mmap：在进程的地址空间中找到一个未使用的区域来映射文件，并将一个 VMA 添加到进程的映射区域表中。VMA 应该包含一个指向被映射文件的 struct file 的指针；mmap 应该增加文件的引用计数，以便在文件关闭时结构不会消失（提示：参见 filedup）。运行 mmaptest：第一个 mmap 应该成功，但是对 mmap-ed 内存的第一次访问将导致页面错误并杀死 mmaptest。
• 添加代码以使 mmap-ed 区域的页面错误分配一个物理页面的内存，将相关文件的 4096 字节读取到该页面，并将其映射到用户地址空间。使用 readi 读取文件，该文件需要一个偏移参数来读取文件（但是您将不得不锁定/解锁传递给 readi 的 inode）。不要忘记正确设置页面的权限。运行 mmaptest；它应该到达第一个 munmap。
• 实现 munmap：找到地址范围的 VMA 并取消映射指定的页面（提示：使用 uvmunmap）。如果 munmap 删除了之前 mmap 的所有页面，则应该减少相应 struct file 的引用计数。如果取消映射的页面已被修改并且文件被映射为 MAP_SHARED，则应将页面写回文件。查看 filewrite 以获取灵感。
• 理想情况下，您的实现只会写回程序实际修改的 MAP_SHARED 页面。RISC-V PTE 中的脏位（D）指示页面是否已被写入。但是，mmaptest 不会检查未修改的页面是否没有被写回；因此，您可以不查看 D 位就写回页面。
• 修改 exit 以取消映射进程的映射区域，就像调用了 munmap 一样。运行 mmaptest；mmap_test 应该通过，但可能不是 fork_test。
• 修改 fork 以确保子进程具有与父进程相同的映射区域。不要忘记增加 VMA 的 struct file 的引用计数。在子进程的页面错误处理程序中，分配一个新的物理页面而不是与父进程共享页面是可以的。后者会更酷，但需要更多的实现工作。运行 mmaptest；它应该通过 mmap_test 和 fork_test。

运行 usertests -q 以确保一切仍然正常工作。

TODO: here

---