# Lab10: mmap

# mmap(hard)

`mmap`和`munmap`系统调用允许UNIX程序对其地址空间进行详细控制。它们可用于在进程之间共享内存，将文件映射到进程地址空间，并作为用户级页面错误方案的一部分，如本课程中讨论的垃圾收集算法。在本实验室中，您将把`mmap`和`munmap`添加到xv6中，重点关注内存映射文件（memory-mapped files）。

获取实验室的xv6源代码并切换到`mmap`分支：

```bash
$ git fetch
$ git checkout mmap
$ make clean
```

手册页面（运行`man 2 mmap`）显示了`mmap`的以下声明：

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

可以通过多种方式调用`mmap`，但本实验只需要与内存映射文件相关的功能子集。您可以假设`addr`始终为零，这意味着内核应该决定映射文件的虚拟地址。`mmap`返回该地址，如果失败则返回`0xffffffffffffffff`。`length`是要映射的字节数；它可能与文件的长度不同。`prot`指示内存是否应映射为可读、可写，以及/或者可执行的；您可以认为`prot`是`PROT_READ`或`PROT_WRITE`或两者兼有。`flags`要么是`MAP_SHARED`（映射内存的修改应写回文件），要么是`MAP_PRIVATE`（映射内存的修改不应写回文件）。您不必在`flags`中实现任何其他位。`fd`是要映射的文件的打开文件描述符。可以假定`offset`为零（它是要映射的文件的起点）。

允许进程映射同一个`MAP_SHARED`文件而不共享物理页面。

`munmap(addr, length)`应删除指定地址范围内的`mmap`映射。如果进程修改了内存并将其映射为`MAP_SHARED`，则应首先将修改写入文件。`munmap`调用可能只覆盖`mmap`区域的一部分，但您可以认为它取消映射的位置要么在区域起始位置，要么在区域结束位置，要么就是整个区域(但不会在区域中间“打洞”)。

> [!TIP|label:YOUR JOB]
> 您应该实现足够的`mmap`和`munmap`功能，以使`mmaptest`测试程序正常工作。如果`mmaptest`不会用到某个`mmap`的特性，则不需要实现该特性。

完成后，您应该会看到以下输出： 

```bash
$ 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
usertests starting
...
ALL TESTS PASSED
$ 
```

**提示：**

- 首先，向`UPROGS`添加`_mmaptest`，以及`mmap`和`munmap`系统调用，以便让***user/mmaptest.c***进行编译。现在，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`，它将在第一次`mmap`调用时失败。
- 惰性地填写页表，以响应页错误。也就是说，`mmap`不应该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，就像在lazy page allocation实验中一样。惰性分配的原因是确保大文件的`mmap`是快速的，并且比物理内存大的文件的`mmap`是可能的。
- 跟踪`mmap`为每个进程映射的内容。定义与第15课中描述的VMA（虚拟内存区域）对应的结构体，记录`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，并根据需要从该数组进行分配。大小为16应该就足够了。
- 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VMA添加到进程的映射区域表中。VMA应该包含指向映射文件对应`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体不会消失（提示：请参阅`filedup`）。运行`mmaptest`：第一次`mmap`应该成功，但是第一次访问被`mmap`的内存将导致页面错误并终止`mmaptest`。
- 添加代码以导致在`mmap`的区域中产生页面错误，从而分配一页物理内存，将4096字节的相关文件读入该页面，并将其映射到用户地址空间。使用`readi`读取文件，它接受一个偏移量参数，在该偏移处读取文件（但必须lock/unlock传递给`readi`的索引结点）。不要忘记在页面上正确设置权限。运行`mmaptest`；它应该到达第一个`munmap`。
- 实现`munmap`：找到地址范围的VMA并取消映射指定页面（提示：使用`uvmunmap`）。如果`munmap`删除了先前`mmap`的所有页面，它应该减少相应`struct file`的引用计数。如果未映射的页面已被修改，并且文件已映射到`MAP_SHARED`，请将页面写回该文件。查看`filewrite`以获得灵感。
- 理想情况下，您的实现将只写回程序实际修改的`MAP_SHARED`页面。RISC-V PTE中的脏位（`D`）表示是否已写入页面。但是，`mmaptest`不检查非脏页是否没有回写；因此，您可以不用看`D`位就写回页面。
- 修改`exit`将进程的已映射区域取消映射，就像调用了`munmap`一样。运行`mmaptest`；`mmap_test`应该通过，但可能不会通过`fork_test`。
- 修改`fork`以确保子对象具有与父对象相同的映射区域。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，可以分配新的物理页面，而不是与父级共享页面。后者会更酷，但需要更多的实施工作。运行`mmaptest`；它应该通过`mmap_test`和`fork_test`。

运行`usertests`以确保一切正常。