mmap, разделяемая память и копирование при записи

Системный вызов mmap

#include <sys/mman.h>

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

Возвращает адрес начала отображения или MAP_FAILED ((void *)-1) при ошибке — не NULL!

Четыре вида отображений

Разделяемая память для родственных процессов

Строки из задачи 8:

mem = mmap(NULL, sizeof(Mem), PROT_READ | PROT_WRITE,
           MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
if (mem == MAP_FAILED) _exit(1);
mem->counter = 0;
mem->state = 0;
pid_t pid = fork();

• MAP_ANONYMOUS — память без файла, заполнена нулями.
• MAP_SHARED — после fork у родителя и потомка в таблицах страниц будут ссылки на одни и те же физические кадры, без copy-on-write. Запись одного процесса сразу видна другим.
• Потомки потомков тоже наследуют отображение — все процессы цепочки работают с одной структурой Mem.

Что делает ядро при mmap

1. Проверяет аргументы и права (для файла — открыт ли он на чтение/запись).
2. Выбирает свободный диапазон виртуальных адресов нужного размера (в страницах).
3. Создаёт новую VMA с правами и флагами; для файла — ссылку на файл (его inode и кеш страниц); для MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS — внутренний объект разделяемой памяти (shmem).
4. Таблицы страниц не заполняет — физическая память выделяется лениво, при первом обращении (страничный отказ).
5. Возвращает адрес.

Отображение файлов

int fd = open("data.bin", O_RDWR);
struct stat st;
fstat(fd, &st);
char *p = mmap(NULL, st.st_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
close(fd);                      /* отображение остаётся! */
p[0] = 'X';                     /* изменяем файл как массив */
msync(p, st.st_size, MS_SYNC);  /* принудительно записать грязные страницы */
munmap(p, st.st_size);

Чтение страницы файла — страничный отказ и чтение с диска в кеш страниц; запись — бит D, и позже writeback запишет страницу в файл.

Copy-on-write ещё раз

MAP_PRIVATE и fork используют один механизм:

1. страница помечается «только чтение» в таблицах всех, кто её разделяет;
2. попытка записи → страничный отказ защиты;
3. ядро видит, что VMA доступна для записи, а страница — COW: копирует кадр, ставит новую ссылку с правом записи;
4. остальные процессы продолжают видеть старый кадр.

Другие виды разделяемой памяти

Для неродственных процессов анонимная память не подходит — нужно имя:

/* POSIX */
int fd = shm_open("/myshm", O_CREAT | O_RDWR, 0600);
ftruncate(fd, sizeof(Mem));
Mem *m = mmap(NULL, sizeof(Mem), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
/* ... */
shm_unlink("/myshm");

/* System V */
int id = shmget(key, sizeof(Mem), IPC_CREAT | 0600);
Mem *m2 = shmat(id, NULL, 0);
shmdt(m2);
shmctl(id, IPC_RMID, NULL);

POSIX-объекты видны в /dev/shm, System V — в ipcs -m.

Итог

• mmap создаёт область адресного пространства; ошибка — MAP_FAILED; размер кратен странице.
• MAP_SHARED — изменения общие (и в файл), MAP_PRIVATE — копирование при записи.
• MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS + fork — общая память родителя и всех потомков.
• Ядро при mmap только создаёт VMA; кадры выделяются при страничных отказах.
• Общая память требует синхронизации.