Linux之内存管理-malloc \kmalloc\vmalloc\dma

1、malloc 函数

1.1分配内存小于128k,调用brk

malloc是C库实现的函数，C库维护了一个缓存，当内存够用时，malloc直接从C库缓存分配，只有当C库缓存不够用； 当申请的内存小于128K时，通过系统调用brk，向内核申请，从堆空间申请一个vma；当申请内存大于128K时，通过系统调用mmap申请内存。先分析brk系统调用

malloc实现流程图

 下面来看brk系统调用

经过平台相关实现，malloc最终会调用SYSCALL_DEFINE1宏，扩展为__arm64_sys_brk函数.扩展的函数名和架构相关。SYSCALL_DEFINE1 的数字1 代表参数个数，1代表一个参数。SYSCALL_DEFINEx,x最大是6.

路径：mm/mmap.c

SYSCALL_DEFINE1(brk, unsigned long, brk)
{
        unsigned long retval;
        unsigned long newbrk, oldbrk, origbrk;
        struct mm_struct *mm = current->mm;
        struct vm_area_struct *next;
        unsigned long min_brk;
        bool populate;
        bool downgraded = false;
        LIST_HEAD(uf);

        if (mmap_write_lock_killable(mm))  //申请写类型读写锁
                return -EINTR;

        origbrk = mm->brk;    //origbrk记录动态分配区的当前底部

#ifdef CONFIG_COMPAT_BRK
        /*
         * CONFIG_COMPAT_BRK can still be overridden by setting
         * randomize_va_space to 2, which will still cause mm->start_brk
         * to be arbitrarily shifted
         */
        if (current->brk_randomized)
                min_brk = mm->start_brk;
        else
                min_brk = mm->end_data;
#else
        min_brk = mm->start_brk;
#endif
        if (brk < min_brk)
                goto out;

        /*
         * Check against rlimit here. If this check is done later after the test
         * of oldbrk with newbrk then it can escape the test and let the data
         * segment grow beyond its set limit the in case where the limit is
         * not page aligned -Ram Gupta
         */
        if (check_data_rlimit(rlimit(RLIMIT_DATA), brk, mm->start_brk,
                              mm->end_data, mm->start_data))
                goto out;

        newbrk = PAGE_ALIGN(brk);
        oldbrk = PAGE_ALIGN(mm->brk);
        if (oldbrk == newbrk) {
                mm->brk = brk;
                goto success;
        }

        /*
         * Always allow shrinking brk.
         * __do_munmap() may downgrade mmap_lock to read.
         */
        if (brk <= mm->brk) {  //请求释放空间
                int ret;

                /*
                 * mm->brk must to be protected by write mmap_lock so update it
                 * before downgrading mmap_lock. When __do_munmap() fails,
                 * mm->brk will be restored from origbrk.
                 */
                mm->brk = brk;
                ret = __do_munmap(mm, newbrk, oldbrk-newbrk, &uf, true); //释放空间的真正函数
                if (ret < 0) {
                        mm->brk = origbrk;
                        goto out;
                } else if (ret == 1) {
                        downgraded = true;
                }
                goto success;
        }

        /* Check against existing mmap mappings. */
        next = find_vma(mm, oldbrk);
        if (next && newbrk + PAGE_SIZE > vm_start_gap(next))//发现有重叠地址空间，不在寻找VMA
                goto out;

        /* Ok, looks good - let it rip. */
        if (do_brk_flags(oldbrk, newbrk-oldbrk, 0, &uf) < 0) //如果没有重叠，新分配一个VMA
                goto out;
        mm->brk = brk;

success:
        populate = newbrk > oldbrk && (mm->def_flags & VM_LOCKED) != 0;
        if (downgraded)
                mmap_read_unlock(mm);
        else
                mmap_write_unlock(mm);
        userfaultfd_unmap_complete(mm, &uf);
        if (populate) //调用mlockall()系统调用，mm_populate 会立刻分配物理内存。
                mm_populate(oldbrk, newbrk - oldbrk);
        return brk;

out:
        retval = origbrk;
        mmap_write_unlock(mm);
        return retval;
}
 

总结下__do_sys_brk()功能： (1)从旧的brk边界去查询，是否有可用vma，若发现有重叠，直接使用； (2)若无发现重叠，新分配一个vma； (3)应用程序若调用mlockall()，会锁住进程所有虚拟地址空间，防止内存被交换出去，且立刻分配物理内存；否则，物理页面会等到使用时，触发缺页异常分配；

do_brk_flags ()

(1)寻找一个可使用的线性地址； (2)查找最适合插入红黑树的节点； (3)寻到的线性地址是否可以合并现有vma，所不能，新建一个vma; (4)将新建vma插入mmap链表和红黑树中

/*
 *  this is really a simplified "do_mmap".  it only handles
 *  anonymous maps.  eventually we may be able to do some
 *  brk-specific accounting here.
 */
static int do_brk_flags(unsigned long addr, unsigned long len, unsigned long flags, struct list_head *uf)
{
        struct mm_struct *mm = current->mm;
        struct vm_area_struct *vma, *prev;
        struct rb_node **rb_link, *rb_parent;
        pgoff_t pgoff = addr >> PAGE_SHIFT;
        int error;
        unsigned long mapped_addr;

        /* Until we need other flags, refuse anything except VM_EXEC. */
        if ((flags & (~VM_EXEC)) != 0)
                return -EINVAL;
        flags |= VM_DATA_DEFAULT_FLAGS | VM_ACCOUNT | mm->def_flags;//默认属性，可读写

//返回未使用过的，未映射的线性地址空间的起始地址

        mapped_addr = get_unmapped_area(NULL, addr, len, 0, MAP_FIXED);
        if (IS_ERR_VALUE(mapped_addr))
                return mapped_addr;

        error = mlock_future_check(mm, mm->def_flags, len);
        if (error)
                return error;

        /* Clear old maps, set up prev, rb_link, rb_parent, and uf */

//寻找适合插入的红黑树节点
        if (munmap_vma_range(mm, addr, len, &prev, &rb_link, &rb_parent, uf))
                return -ENOMEM;

        /* Check against address space limits *after* clearing old maps... */
        if (!may_expand_vm(mm, flags, len >> PAGE_SHIFT))
                return -ENOMEM;

        if (mm->map_count > sysctl_max_map_count)
                return -ENOMEM;

        if (security_vm_enough_memory_mm(mm, len >> PAGE_SHIFT))
                return -ENOMEM;

        /* Can we just expand an old private anonymous mapping? */

//检查是否能合并到addr 到附近的vma,若不能，只能新建一个vma
        vma = vma_merge(mm, prev, addr, addr + len, flags,
                        NULL, NULL, pgoff, NULL, NULL_VM_UFFD_CTX);
        if (vma)
                goto out;

        /*
         * create a vma struct for an anonymous mapping
         */
        vma = vm_area_alloc(mm); // 新建一个vma 
        if (!vma) {
                vm_unacct_memory(len >> PAGE_SHIFT);
                return -ENOMEM;
        }

        vma_set_anonymous(vma);
        vma->vm_start = addr;
        vma->vm_end = addr + len;
        vma->vm_pgoff = pgoff;
        vma->vm_flags = flags;
        vma->vm_page_prot = vm_get_page_prot(flags);
        vma_link(mm, vma, prev, rb_link, rb_parent); // 新vma添加到mmap链表和红黑树中
out:
        perf_event_mmap(vma);
        mm->total_vm += len >> PAGE_SHIFT;
        mm->data_vm += len >> PAGE_SHIFT;
        if (flags & VM_LOCKED)
                mm->locked_vm += (len >> PAGE_SHIFT);
        vma->vm_flags |= VM_SOFTDIRTY;
        return 0;
}
 

 如果调用mlockall 系统调用，mm_populate 会立刻分配物理内存

mm_populate()

mm_populate

        ->_mm_populate        

                ->populate_vma_page_range

                        ->__get_user_pages             

当设置VM_LOCKED标志时，表示要马上申请物理页面，并与vma建立映射； 否则，这里不操作，直到访问该vma时，触发缺页异常，再分配物理页面，并建立映射；

__get_user_pages()

static long __get_user_pages(struct mm_struct *mm,
                unsigned long start, unsigned long nr_pages,
                unsigned int gup_flags, struct page **pages,
                struct vm_area_struct **vmas, int *locked)
{
        long ret = 0, i = 0;
        struct vm_area_struct *vma = NULL;
        struct follow_page_context ctx = { NULL };

        if (!nr_pages)
                return 0;

        start = untagged_addr(start);

        VM_BUG_ON(!!pages != !!(gup_flags & (FOLL_GET | FOLL_PIN)));

        /*
         * If FOLL_FORCE is set then do not force a full fault as the hinting
         * fault information is unrelated to the reference behaviour of a task
         * using the address space
         */
        if (!(gup_flags & FOLL_FORCE))
                gup_flags |= FOLL_NUMA;

        do {                                            //依次处理每个页面
                struct page *page;
                unsigned int foll_flags = gup_flags;
                unsigned int page_increm;

                /* first iteration or cross vma bound */
                if (!vma || start >= vma->vm_end) {
                        vma = find_extend_vma(mm, start);    //检查是否可以扩展VMA     
                        if (!vma && in_gate_area(mm, start)) {
                                ret = get_gate_page(mm, start & PAGE_MASK,
                                                gup_flags, &vma,
                                                pages ? &pages[i] : NULL);
                                if (ret)
                                        goto out;
                                ctx.page_mask = 0;
                                goto next_page;
                        }

                        if (!vma || check_vma_flags(vma, gup_flags)) {
                                ret = -EFAULT;
                                goto out;
                        }
                        if (is_vm_hugetlb_page(vma)) {    // 支持巨页
                                i = follow_hugetlb_page(mm, vma, pages, vmas,
                                                &start, &nr_pages, i,
                                                gup_flags, locked);
                                if (locked && *locked == 0) {
                                        /*
                                         * We've got a VM_FAULT_RETRY
                                         * and we've lost mmap_lock.
                                         * We must stop here.
                                         */
                                        BUG_ON(gup_flags & FOLL_NOWAIT);
                                        BUG_ON(ret != 0);
                                        goto out;
                                }
                                continue;
                        }
                }
retry:
                /*
                 * If we have a pending SIGKILL, don't keep faulting pages and
                 * potentially allocating memory.
                 */
                if (fatal_signal_pending(current)) { //如果当前进程收到KILL 信号，直接退出
                        ret = -EINTR;
                        goto out;
                }
                cond_resched(); //判断是否需要调度，这个函数是为优化系统延迟

//查看VMA的虚拟页面是否已经分配物理页面内存，返回已经映射的页面的page.

                page = follow_page_mask(vma, start, foll_flags, &ctx);
                if (!page) {

/若无映射，主动触发虚拟页面到物理页面的映射
                        ret = faultin_page(vma, start, &foll_flags, locked); 
                        switch (ret) {
                        case 0:
                                goto retry;
                        case -EBUSY:
                                ret = 0;
                                fallthrough;
                        case -EFAULT:
                        case -ENOMEM:
                        case -EHWPOISON:
                                goto out;
                        case -ENOENT:
                                goto next_page;
                        }
                        BUG();
                } else if (PTR_ERR(page) == -EEXIST) {
                        /*
                         * Proper page table entry exists, but no corresponding
                         * struct page.
                         */
                        goto next_page;
                } else if (IS_ERR(page)) {
                        ret = PTR_ERR(page);
                        goto out;
                }
                if (pages) {
                        pages[i] = page;
                        flush_anon_page(vma, page, start);//分配完物理页面，刷新缓存
                        flush_dcache_page(page);
                        ctx.page_mask = 0;
                }
next_page:
                if (vmas) {
                        vmas[i] = vma;
                        ctx.page_mask = 0;
                }
                page_increm = 1 + (~(start >> PAGE_SHIFT) & ctx.page_mask);
                if (page_increm > nr_pages)
                        page_increm = nr_pages;
                i += page_increm;
                start += page_increm * PAGE_SIZE;
                nr_pages -= page_increm;
        } while (nr_pages);
out:
        if (ctx.pgmap)
                put_dev_pagemap(ctx.pgmap);
        return i ? i : ret;
}

follow_page_mask

        ->follow_p4d_mask

                ->follow_pud_mask

                        ->follow_pmd_mask

                                ->follow_page_pte

 follow_page_pte

static struct page *follow_page_pte(struct vm_area_struct *vma,
                unsigned long address, pmd_t *pmd, unsigned int flags,
                struct dev_pagemap **pgmap)
{
        struct mm_struct *mm = vma->vm_mm;
        struct page *page;
        spinlock_t *ptl;
        pte_t *ptep, pte;
        int ret;

        /* FOLL_GET and FOLL_PIN are mutually exclusive. */
        if (WARN_ON_ONCE((flags & (FOLL_PIN | FOLL_GET)) ==
                         (FOLL_PIN | FOLL_GET)))
                return ERR_PTR(-EINVAL);
retry:
        if (unlikely(pmd_bad(*pmd)))
                return no_page_table(vma, flags);

        ptep = pte_offset_map_lock(mm, pmd, address, &ptl);  //获得pte 和一个锁
        pte = *ptep;
        if (!pte_present(pte)) { //若此pte 不在内存中，作下面的处理
                swp_entry_t entry;
                /*
                 * KSM's break_ksm() relies upon recognizing a ksm page
                 * even while it is being migrated, so for that case we
                 * need migration_entry_wait().
                 */
                if (likely(!(flags & FOLL_MIGRATION)))
                        goto no_page;
                if (pte_none(pte))
                        goto no_page;
                entry = pte_to_swp_entry(pte);
                if (!is_migration_entry(entry))
                        goto no_page;
                pte_unmap_unlock(ptep, ptl);
                migration_entry_wait(mm, pmd, address); //等待页面合并完成后再尝试
                goto retry;
        }
        if ((flags & FOLL_NUMA) && pte_protnone(pte))
                goto no_page;
        if ((flags & FOLL_WRITE) && !can_follow_write_pte(pte, flags)) {
                pte_unmap_unlock(ptep, ptl);
                return NULL;
        }

//根据pte,返回物理页面page,只返回普通页面，特殊页面不参与内存管理

        page = vm_normal_page(vma, address, pte);
        if (!page && pte_devmap(pte) && (flags & (FOLL_GET | FOLL_PIN))) {
                /*
                 * Only return device mapping pages in the FOLL_GET or FOLL_PIN
                 * case since they are only valid while holding the pgmap
                 * reference.
                 */
                *pgmap = get_dev_pagemap(pte_pfn(pte), *pgmap);//处理设备映射文件
                if (*pgmap)
                        page = pte_page(pte);
                else
                        goto no_page;
        } else if (unlikely(!page)) {//处理vm_normal_page()没有返回有效页面情况
                if (flags & FOLL_DUMP) {
                        /* Avoid special (like zero) pages in core dumps */
                        page = ERR_PTR(-EFAULT);
                        goto out;
                }

                if (is_zero_pfn(pte_pfn(pte))) {//系统零页，不会返回错误
                        page = pte_page(pte);
                } else {
                        ret = follow_pfn_pte(vma, address, ptep, flags);
                        page = ERR_PTR(ret);
                        goto out;
                }
        }

        if (flags & FOLL_SPLIT && PageTransCompound(page)) {
                get_page(page);
                pte_unmap_unlock(ptep, ptl);
                lock_page(page);
                ret = split_huge_page(page);
                unlock_page(page);
                put_page(page);
                if (ret)
                        return ERR_PTR(ret);
                goto retry;
        }

        /* try_grab_page() does nothing unless FOLL_GET or FOLL_PIN is set. */
        if (unlikely(!try_grab_page(page, flags))) {
                page = ERR_PTR(-ENOMEM);
                goto out;
        }
        /*
         * We need to make the page accessible if and only if we are going
         * to access its content (the FOLL_PIN case).  Please see
         * Documentation/core-api/pin_user_pages.rst for details.
         */
        if (flags & FOLL_PIN) {   
                ret = arch_make_page_accessible(page);
                if (ret) {
                        unpin_user_page(page);
                        page = ERR_PTR(ret);
                        goto out;
                }
        }
        if (flags & FOLL_TOUCH) {  //标记页面可访问
                if ((flags & FOLL_WRITE) &&
                    !pte_dirty(pte) && !PageDirty(page))
                        set_page_dirty(page);
                /*
                 * pte_mkyoung() would be more correct here, but atomic care
                 * is needed to avoid losing the dirty bit: it is easier to use
                 * mark_page_accessed().
                 */
                mark_page_accessed(page);
        }
        if ((flags & FOLL_MLOCK) && (vma->vm_flags & VM_LOCKED)) {

                /* Do not mlock pte-mapped THP */
                if (PageTransCompound(page))
                        goto out;

                /*
                 * The preliminary mapping check is mainly to avoid the
                 * pointless overhead of lock_page on the ZERO_PAGE
                 * which might bounce very badly if there is contention.
                 *
                 * If the page is already locked, we don't need to
                 * handle it now - vmscan will handle it later if and
                 * when it attempts to reclaim the page.
                 */
                if (page->mapping && trylock_page(page)) {
                        lru_add_drain();  /* push cached pages to LRU */
                        /*
                         * Because we lock page here, and migration is
                         * blocked by the pte's page reference, and we
                         * know the page is still mapped, we don't even
                         * need to check for file-cache page truncation.
                         */
                        mlock_vma_page(page);
                        unlock_page(page);
                }
        }
out:
        pte_unmap_unlock(ptep, ptl);
        return page;
no_page:
        pte_unmap_unlock(ptep, ptl);
        if (!pte_none(pte))
                return NULL;
        return no_page_table(vma, flags);
}
 

 总结：

(1)malloc函数，从C库缓存分配内存，其分配或释放内存，未必马上会执行；

(2)malloc实际分配内存动作，要么主动设置mlockall()，人为触发缺页异常，分配物理页面；或者在访问内存时触发缺页异常，分配物理页面；

(3)malloc分配虚拟内存，有三种情况： a.malloc()分配内存后，直接读，linux内核进入缺页异常，调用do_anonymous_page函数使用零页映射，此时PTE属性只读； b.malloc()分配内存后，先读后写，linux内核第一次触发缺页异常，映射零页；第二次触发异常，触发写时复制； c.malloc()分配内存后, 直接写，linux内核进入匿名页面的缺页异常，调用alloc_zeroed_user_highpage_movable分配一个新页面，这个PTE是可写的；

1.2 分配内存大于128K，调用mmap函数

mmap一般用于用户程序分配内存，读写大文件，链接动态库，多进程内存共享等； 实现过程流程图：

mmap根据文件关联性和映射区域是否共享等属性，其映射分为4类 ：

1.私有匿名映射 fd=-1,且flags=MAP_ANONYMOUS|MAP_PRIVATE,创建的mmap映射是私有匿名映射； 用途是在glibc分配大内存时，如果需分配内存大于MMAP_THREASHOLD（128KB），glibc默认用mmap代替brk分配内存；

2.共享匿名映射 fd=-1,且flags=MAP_ANONYMOUS|MAP_SHARED; 常用于父子进程的通信，共享一块内存区域； do_mmap_pgoff()->mmap_region(),最终调用shmem_zero_setup打开/dev/zero设备文件；

另外直接打开/dev/zero设备文件，然后使用这个句柄创建mmap，也是最终调用shmem模块创建共享匿名映射；

3.私有文件映射 flags=MAP_PRIVATE； 常用场景是，加载动态共享库；

4.共享文件映射 flags=MAP_SHARED；有两个应用场景； (1)读写文件： 内核的会写机制会将内存数据同步到磁盘； (2)进程间通信： 多个独立进程，打开同一个文件，互相都可以观察到，可是实现多进程通信；

路径： mm/mmap.c

mmap_pgoff 宏定义

SYSCALL_DEFINE6(mmap_pgoff, unsigned long, addr, unsigned long, len,
                unsigned long, prot, unsigned long, flags,
                unsigned long, fd, unsigned long, pgoff)
{
        return ksys_mmap_pgoff(addr, len, prot, flags, fd, pgoff);
}
 

 ksys_mmap_pgoff

        ->vm_mmap_pgoff

                ->do_mmap

                        ->mmap_region

核心函数： 

mmap_region

unsigned long mmap_region(struct file *file, unsigned long addr,
                unsigned long len, vm_flags_t vm_flags, unsigned long pgoff,
                struct list_head *uf)
{
        struct mm_struct *mm = current->mm;
        struct vm_area_struct *vma, *prev, *merge;
        int error;
        struct rb_node **rb_link, *rb_parent;
        unsigned long charged = 0;

        /* Check against address space limit. */
        if (!may_expand_vm(mm, vm_flags, len >> PAGE_SHIFT)) {
                unsigned long nr_pages;

                /*
                 * MAP_FIXED may remove pages of mappings that intersects with
                 * requested mapping. Account for the pages it would unmap.
                 */
                nr_pages = count_vma_pages_range(mm, addr, addr + len);

                if (!may_expand_vm(mm, vm_flags,
                                        (len >> PAGE_SHIFT) - nr_pages))
                        return -ENOMEM;
        }

        /* Clear old maps, set up prev, rb_link, rb_parent, and uf */
        if (munmap_vma_range(mm, addr, len, &prev, &rb_link, &rb_parent, uf))
                return -ENOMEM;
        /*
         * Private writable mapping: check memory availability
         */
        if (accountable_mapping(file, vm_flags)) {
                charged = len >> PAGE_SHIFT;
                if (security_vm_enough_memory_mm(mm, charged))
                        return -ENOMEM;
                vm_flags |= VM_ACCOUNT;
        }

        /*
         * Can we just expand an old mapping?
         */
        vma = vma_merge(mm, prev, addr, addr + len, vm_flags,
                        NULL, file, pgoff, NULL, NULL_VM_UFFD_CTX); //尝试合并VMA
        if (vma)
                goto out;

        /*
         * Determine the object being mapped and call the appropriate
         * specific mapper. the address has already been validated, but
         * not unmapped, but the maps are removed from the list.
         */
        vma = vm_area_alloc(mm);// 分配VMA
        if (!vma) {
                error = -ENOMEM;
                goto unacct_error;
        }

        vma->vm_start = addr;
        vma->vm_end = addr + len;
        vma->vm_flags = vm_flags;
        vma->vm_page_prot = vm_get_page_prot(vm_flags);
        vma->vm_pgoff = pgoff;

        if (file) {                         -----------------------------------------------文件映射
                if (vm_flags & VM_DENYWRITE) {
                        error = deny_write_access(file);
                        if (error)
                                goto free_vma;
                }
                if (vm_flags & VM_SHARED) {
                        error = mapping_map_writable(file->f_mapping);
                        if (error)
                                goto allow_write_and_free_vma;
                }

                /* ->mmap() can change vma->vm_file, but must guarantee that
                 * vma_link() below can deny write-access if VM_DENYWRITE is set
                 * and map writably if VM_SHARED is set. This usually means the
                 * new file must not have been exposed to user-space, yet.
                 */
                vma->vm_file = get_file(file);
                error = call_mmap(file, vma);
                if (error)
                        goto unmap_and_free_vma;

                /* Can addr have changed??
                 *
                 * Answer: Yes, several device drivers can do it in their
                 *         f_op->mmap method. -DaveM
                 * Bug: If addr is changed, prev, rb_link, rb_parent should
                 *      be updated for vma_link()
                 */
                WARN_ON_ONCE(addr != vma->vm_start);

                addr = vma->vm_start;

                /* If vm_flags changed after call_mmap(), we should try merge vma again
                 * as we may succeed this time.
                 */
                if (unlikely(vm_flags != vma->vm_flags && prev)) {
                        merge = vma_merge(mm, prev, vma->vm_start, vma->vm_end, vma->vm_flags,
                                NULL, vma->vm_file, vma->vm_pgoff, NULL, NULL_VM_UFFD_CTX);
                        if (merge) {
                                /* ->mmap() can change vma->vm_file and fput the original file. So
                                 * fput the vma->vm_file here or we would add an extra fput for file
                                 * and cause general protection fault ultimately.

                                 */
                                fput(vma->vm_file);
                                vm_area_free(vma);
                                vma = merge;
                                /* Update vm_flags to pick up the change. */
                                vm_flags = vma->vm_flags;
                                goto unmap_writable;
                        }
                }

                vm_flags = vma->vm_flags;
        } else if (vm_flags & VM_SHARED) {  -------------共享映射
                error = shmem_zero_setup(vma); -----------共享匿名映射
                if (error)
                        goto free_vma;
        } else {
                vma_set_anonymous(vma);    --------------匿名映射
        }

        /* Allow architectures to sanity-check the vm_flags */
        if (!arch_validate_flags(vma->vm_flags)) {
                error = -EINVAL;
                if (file)
                        goto unmap_and_free_vma;
                else
                        goto free_vma;
        }

        vma_link(mm, vma, prev, rb_link, rb_parent);   ---------vma 加入mm系统
        /* Once vma denies write, undo our temporary denial count */
        if (file) {
unmap_writable:
                if (vm_flags & VM_SHARED)
                        mapping_unmap_writable(file->f_mapping);
                if (vm_flags & VM_DENYWRITE)
                        allow_write_access(file);
        }
        file = vma->vm_file;
out:
        perf_event_mmap(vma);

        vm_stat_account(mm, vm_flags, len >> PAGE_SHIFT);
        if (vm_flags & VM_LOCKED) {
                if ((vm_flags & VM_SPECIAL) || vma_is_dax(vma) ||
                                        is_vm_hugetlb_page(vma) ||
                                        vma == get_gate_vma(current->mm))
                        vma->vm_flags &= VM_LOCKED_CLEAR_MASK;
                else
                        mm->locked_vm += (len >> PAGE_SHIFT);
        }

        if (file)
                uprobe_mmap(vma);

        /*
         * New (or expanded) vma always get soft dirty status.
         * Otherwise user-space soft-dirty page tracker won't
         * be able to distinguish situation when vma area unmapped,
         * then new mapped in-place (which must be aimed as
         * a completely new data area).
         */
        vma->vm_flags |= VM_SOFTDIRTY;

        vma_set_page_prot(vma);

        return addr;

unmap_and_free_vma:
        vma->vm_file = NULL;
        fput(file);

        /* Undo any partial mapping done by a device driver. */
        unmap_region(mm, vma, prev, vma->vm_start, vma->vm_end);
        charged = 0;
        if (vm_flags & VM_SHARED)
                mapping_unmap_writable(file->f_mapping);
allow_write_and_free_vma:
        if (vm_flags & VM_DENYWRITE)
                allow_write_access(file);
free_vma:
        vm_area_free(vma);
unacct_error:
        if (charged)
                vm_unacct_memory(charged);
        return error;
}
 

总结： 以上的malloc,mmap函数，若无特别设定，默认都是指建立虚拟地址空间，但没有建立虚拟地址空间到物理地址空间的映射； 当访问未映射的虚拟空间时，触发缺页异常，linxu内核会处理缺页异常，缺页异常服务程序中，会分配物理页，并建立虚拟地址到物理页的映射；

补充两个问题：

1.当mmap重复申请相同地址，为什么不会失败？ find_vma_links()函数便利该进程所有的vma，当检查到当前要映射区域和已有vma重叠时，先销毁旧映射区，重新映射，所以第二次申请，不会报错。

2.mmap打开多个文件时，比如播放视频时，为什么会卡顿？ mmap只是建立vma，并未实际分配物理页面读取文件内存，当播放器真正读取文件时，会频繁触发缺页异常，再从磁盘读取文件到页面高速缓存中，会导致磁盘读性能较差；

madvise(add,len,MADV_WILLNEED|MADV_SEQUENTIAL)对文件内容进行预读和顺序读；

但是内核默认的预读功能就可以实现；且madvise不适合流媒体，只适合随机读取场景；

能够有效提高流媒体服务I/O性能的方法是增大内核默认预读窗口；内核默认是128K，可以通过“blockdev --setra”命令修改；

 3、mmap 访问文件为什么快？

mmap()系统调用用于在进程的虚拟地址空间中创建新的内存映射。内存分配器通常使用这个系统调用来创建私有匿名映射，以分配内存。内核会按照页面大小的倍数（通常为4096字节）来分配内存，函数原型如下：

#include <unistd\.h>void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

一旦建立了这种映射关系，进程就可以通过指针的方式来读写这段内存，而系统会自动将脏页（被修改的页）回写到相应的磁盘文件上。这意味着进程可以通过直接访问内存来完成对文件的操作，而无需再调用read、write等系统调用函数。

除了减少read、write等系统调用外，mmap()还可以减少内存拷贝的次数。例如，在使用read调用时，典型的流程是操作系统首先将磁盘文件内容读入页缓存，然后再将数据从页缓存复制到read传递的缓冲区中。然而，使用mmap()后，操作系统只需将磁盘数据读入页缓存，然后进程可以直接通过指针方式操作mmap映射的内存，从而减少了从内核态到用户态的数据拷贝。

2、kmalloc 函数

路径：include/linux/slab.h

static __always_inline void *kmalloc(size_t size, gfp_t flags)
{
        if (__builtin_constant_p(size)) {
#ifndef CONFIG_SLOB
                unsigned int index;
#endif
                if (size > KMALLOC_MAX_CACHE_SIZE)
                        return kmalloc_large(size, flags);
#ifndef CONFIG_SLOB
                index = kmalloc_index(size);

                if (!index)
                        return ZERO_SIZE_PTR;

                return kmem_cache_alloc_trace(
                                kmalloc_caches[kmalloc_type(flags)][index],
                                flags, size);
#endif
        }
        return __kmalloc(size, flags);
}