如何在Linux上将两个虚拟地址映射到同一物理内存上？

Question

我面临着一个非常棘手的问题。我试图让 2 个虚拟内存区域指向相同的物理内存。重点是不同的内存区域有不同的页面保护参数。

在这个论坛上，用户似乎有一个解决方案，但看起来有点老套，而且很明显可以在性能方面做更好的事情： http: //www.linuxforums.org/forum/programming-scripting/19491-map-two-virtual-memory-addres-same-physical-page.html

作为我也面临着同样的问题，我想在这里尝试一下，看看是否有人有更好的想法。不要害怕提及引擎盖背后的肮脏细节，这就是这个问题的目的。

提前致谢。

Answer 1

从 Linux 内核 3.17（2014 年 10 月发布）开始，您可以使用 memfd_create 系统调用来创建由匿名内存支持的文件描述符。然后对同一区域进行多次 mmap，如上面答案中所述。

请注意，memfd_create 系统调用的 glibc 包装器已在 glibc 2.27（于 2018 年 2 月发布）中添加。 glibc 手册还描述了如何返回描述符用于创建到同一底层内存的多个映射。

Answer 2

我正在尝试让 2 个虚拟内存区域指向同一物理内存。

mmap同一文件中的同一区域两次，或使用系统V 共享内存（不需要在内存中映射文件）。

Answer 3

我想如果你不喜欢 Sys V 共享内存，你可以使用 POSIX 共享内存对象。它们不是很流行，但至少可以在 Linux 和 BSD 上使用。

一旦您通过 shm_open 获得 fd，您就可以立即调用 shm_unlink。那么其他进程就不能附加到同一共享内存，并且您可以对其进行多次mmap。不过仍然有一小段比赛时间。

Answer 4

根据@PerJohansson 的建议，我写了 &测试了以下代码，它在linux上运行良好，使用带有MAP_SHARED | MAP_FIXED标志的mmap，我们可以多次连续地将POSIX shm对象分配的同一物理页映射到非常大的虚拟内存中。

#include "stdio.h"
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>        /* For mode constants */
#include <fcntl.h>           /* For O_* constants */


void * alloc_1page_mem(int size) {
    int fd;
    char * ptr_base;
    char * rptr;
    /* Create shared memory object and set its size */
    fd = shm_open("/myregion", O_CREAT | O_RDWR, S_IRUSR | S_IWUSR);
    if (fd == -1) {
        perror("error in shm_open");
        return NULL;
    }

    if (ftruncate(fd, 4096) == -1) {
        perror("error in ftruncate");
        return NULL;
    }

    // following trick reserves big enough holes in VM space
    ptr_base = rptr = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    munmap(rptr, size);

    for(int i=0; i<size; i+=4096) {
        rptr = mmap(rptr, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_FIXED, fd, 0);
        if (rptr == MAP_FAILED) {
            perror("error in mmap");
            return NULL;
        }
        rptr += 4096;
    }
    close(fd);
    shm_unlink("/myregion");
    return ptr_base;
}

void check(int * p, int total_cnt){
    for (int i=0;i<4096/sizeof(int);i++) {
        p[i] = i;
    }

    int fail_cnt = 0;
    for (int k=0; k<total_cnt; k+= 4096/sizeof(int)) {
        for (int i=0;i<4096/sizeof(int);i++) {
            if (p[k+i] != i)
                fail_cnt ++;
        }
    }
    printf("fail_cnt=%d\n", fail_cnt);
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    const char * cmd = argv[1];
    int sum;
    int total_cnt = 32*1024*1024;
    int * p = NULL;
    if (*cmd++ == '1')
        p = alloc_1page_mem(total_cnt*sizeof(int));
    else
        p = malloc(total_cnt*sizeof(int));

    sum = 0;
    while(*cmd) {
        switch(*cmd++) {
            case 'c':
                check(p, total_cnt);
                break;
            case 'w':
                // save only 4bytes per cache line
                for (int k=0;k<total_cnt;k+=64/sizeof(int)){
                    p[k] = sum;
                }
                break;
            case 'r':
                // read only 4bytes per cache line
                for (int k=0;k<total_cnt;k+=64/sizeof(int)) {
                    sum += p[k];
                }
                break;
            case 'p':
                // prevent sum from being optimized
                printf("sum=%d\n", sum);
        }
    }

    return 0;
}

您可以观察到以这种方法分配的内存的缓存未命中率非常低：

$ sudo perf stat -e mem_load_retired.l3_miss -- ./a.out 0wrrrrr
  # this produces L3 miss linearly increase with number of 'r' charaters
$ sudo perf stat -e mem_load_retired.l3_miss -- ./a.out 1wrrrrr
  # this produces almost constant L3 miss.

Answer 5

如果您是 root，则可以 mmap("/dev/mem", ...) 但较新的内核中有一些警告，请参阅 访问 mmaped /dev/mem？