8.6 Memory Mapped Files

这节课最后要讨论的内容，也是后面的一个实验，就是memory mapped files。这里的核心思想是，将完整或者部分文件加载到内存中，这样就可以通过内存地址相关的load或者store指令来操纵文件。为了支持这个功能，一个现代的操作系统会提供一个叫做mmap的系统调用。这个系统调用会接收一个虚拟内存地址（VA），长度（len），protection，一些标志位，一个打开文件的文件描述符，和偏移量（offset）。

这里的语义就是，从文件描述符对应的文件的偏移量的位置开始，映射长度为len的内容到虚拟内存地址VA，同时我们需要加上一些保护，比如只读或者读写。

假设文件内容是读写并且内核实现mmap的方式是eager方式（不过大部分系统都不会这么做），内核会从文件的offset位置开始，将数据拷贝到内存，设置好PTE指向物理内存的位置。之后应用程序就可以使用load或者store指令来修改内存中对应的文件内容。当完成操作之后，会有一个对应的unmap系统调用，参数是虚拟地址（VA），长度（len）。来表明应用程序已经完成了对文件的操作，在unmap时间点，我们需要将dirty block写回到文件中。我们可以很容易的找到哪些block是dirty的，因为它们在PTE中的dirty bit为1。

当然，在任何聪明的内存管理机制中，所有的这些都是以lazy的方式实现。你不会立即将文件内容拷贝到内存中，而是先记录一下这个PTE属于这个文件描述符。相应的信息通常在VMA结构体中保存，VMA全称是Virtual Memory Area。例如对于这里的文件f，会有一个VMA，在VMA中我们会记录文件描述符，偏移量等等，这些信息用来表示对应的内存虚拟地址的实际内容在哪，这样当我们得到一个位于VMA地址范围的page fault时，内核可以从磁盘中读数据，并加载到内存中。所以这里回答之前一个问题，dirty bit是很重要的，因为在unmap中，你需要向文件回写dirty block。

学生提问：有没有可能多个进程将同一个文件映射到内存，然后会有同步的问题？

Frans教授：好问题。这个问题其实等价于，多个进程同时通过read/write系统调用读写一个文件会怎么样？

这里的行为是不可预知的。write系统调用会以某种顺序出现，如果两个进程向一个文件的block写数据，要么第一个进程的write能生效，要么第二个进程的write能生效，只能是两者之一生效。在这里其实也是一样的，所以我们并不需要考虑冲突的问题。

一个更加成熟的Unix操作系统支持锁定文件，你可以先锁定文件，这样就能保证数据同步。但是默认情况下，并没有同步保证。

学生提问：mmap的参数中，len和flag是什么意思？

Frans教授：len是文件中你想映射到内存中的字节数。prot是read/write。flags会在mmap lab中出现，我认为它表示了这个区域是私有的还是共享的。如果是共享的，那么这个区域可以在多个进程之间共享。

学生提问：如果其他进程直接修改了文件的内容，那么是不是意味着修改的内容不会体现在这里的内存中？

Frans教授：是的。但是如果文件是共享的，那么你应该同步这些变更。我记不太清楚在mmap中，文件共享时会发生什么。

你们会在file system lab之后做这里相关的mmap lab，这将会是我们最后一个虚拟内存实验。

最后来总结一下最近几节课的内容，我们首先详细看了一下page table是如何工作的，之后我们详细看了一下trap是如何工作的。而page fault结合了这两部分的内容，可以用来实现非常强大且优雅的虚拟内存功能。我们这节课介绍的内容，只是操作系统里面基于page fault功能的子集。一个典型的操作系统实现了今天讨论的所有内容，如果你查看Linux，它包含了所有的内容，以及许多其他有趣的功能。今天的内容希望能给让你们理解，一旦你可以在page fault handler中动态的更新page table，虚拟内存将会变得有多强大。