内存映射mmap是Linux内核的一个重要机制，它和虚拟内存管理以及文件IO都有直接的关系，这篇细说一下mmap的一些要点。
mmap和虚拟内存管理
先来看看Linux内核的用户进程虚拟内存管理。内核定义了mm_struct结构来表示一个用户进程的虚拟内存地址空间。
1. start_code, end_code指定了进程的代码段的边界，start_data, end_data指定了进程数据段的边界。在ELF二进制文件映射到虚拟内存地址空间后，这几个长度就不会再改变
2. start_brk, brk指定了堆的边界。start_brk表示堆的起始地址，在进程整个生命周期不会改变，brk表示堆的结束位置，会随着堆的长度改变而改变
3. stack_top指定了栈的起始位置，一般是
4. task_size指定了用户进程地址空间的长度，也就是用户进程地址空间的顶部边界
5. mmap_base指定了用户进程虚拟地址空间中用作内存映射部分的地址的基地址，这个位置不是随机的，通常是TASK_SIZE / 3位置处
这里各个区域的地址都是用户进程的虚拟地址，用户进程使用虚拟地址和页表结构来访问内存
1. 首先根据所在区域的虚拟地址转换成对应的页表数组的数组项索引，找到页表索引最后定为到PTE中保存的物理内存页的页号，加上虚拟地址低12位的offset来确定一个唯一的物理内存地址
2. 如果物理内存地址所在的页存在，就返回该物理地址存放的内容。如果不存在就触发缺页异常。虚拟内存管理采用按需分配 + 缺页异常机制来管理页表项和分配对应的物理内存页。当一个虚拟地址对应的页表项不存在时，先创建页表结构，再分配物理内存页，再修改页表
进程的mm_struct除了包含虚拟内存地址空间布局的信息，还包含了虚拟内存区域vm_area_struct的信息。虚拟内存区域vm_area_struct是内核管理用户进程虚拟地址空间的方式，实际上数据段，文本段，共享库这些都是通过vm_area_struct来管理的
vm_area_struct由两种组织形式，一种是单链表，包含了所有创建的vm_area_struct实例，一种是红黑树结构，加速区域的查找。这两个数据结构都是面向同一份vm_area_struct实例，，只是组织形式不同。
再考虑一下vm_area_struct和页表的关系，vm_area_struct本质上是一段用户进程的虚拟地址，而我们知道虚拟地址和页表数组的索引是对应的，页表数组的最后一级PTE数组的数组项存放着物理内存页的页号，这样就建立了虚拟内存地址到物理内存地址的对应关系。
1. 有一种情况是先有虚拟地址，再由访问虚拟地址引起缺页异常去加载物理内存，再更新页表建立虚拟地址，页表，物理内存三者的联系
2. 有一种情况(mmap)是先从设备加载文件，建立address_space，页缓存(物理内存)，再创建vm_area_struct结构，更新页表，返回虚拟地址。
vm_area_struct的结构体如下
1. vm_start, vm_end表示区域的开始位置和结束位置，确定了区域的边界。两个vm_area_struct不会出现交叉的情况
2. vm_page_prot 表示这个区域的页的访问权限
3. shared结构处理有后备文件的内存映射，和后备文件的address_space地址空间关联起来
4. anon_vma_node, anon_vma处理匿名文件共享内存映射的情况，映射到同一物理内存页的映射都保存在一个链表中
5. vm_pgoff, vm_file都是处理有后备文件内存映射的情况，获得该映射在文件的页偏移量，以及打开文件file实例的信息
对于有后备文件的映射，内核还提供了一个优先查找树结构，来加速确定一个文件和所有映射到这个文件的虚拟内存区域vm_area_struct实例的关系，从而可以得到所有映射到这个文件的进程信息。这张图表示了一个后备文件被mmap映射后内核建立的一些数据结构，涉及到了内存管理的数据和文件系统的数据
内核提供了一系列的函数对虚拟内存区域vm_area_struct进行操作，比如创建，删除，合并，查找等等。而mmap是C标准库提供给用户程序的一个函数来使用内存映射，建立起文件地址空间和虚拟内存区域的映射关系。
mmap的4种类型
mmap分为有后备文件的映射和匿名文件的映射，这两种映射又有私有映射和共享映射之分，所以mmap可以创建4种类型的映射
1. 后备文件的共享映射，多个进程的vm_area_struct指向同一个物理内存区域，一个进程对文件内容的修改，会被其他进程可见。对文件内容的修改会被写回到后备文件。
人生的大部份时间里，承诺同义词是束缚，奈何我们向往束缚。
