MIT 6.1810 · Lab mmap · 内存映射

Lab: mmap 困难

mmap 和 munmap 系统调用允许 UNIX 程序对其地址空间施加详细控制。在本实验中，你将向 xv6 添加 mmap 和 munmap，重点关注内存映射文件。

难度：困难

分支：mmap

实验日期：2026 秋季

$ git fetch
$ git checkout mmap
$ make clean

手册页（运行 man 2 mmap）显示 mmap 的声明：

void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags,
           int fd, off_t offset);

本实验只需要与内存映射文件相关的子集功能。你可以假设：

addr 始终为零——内核决定映射文件的虚拟地址
len 是要映射的字节数；可能与文件长度不同
prot 是 PROT_READ 或 PROT_WRITE 或两者
flags 是 MAP_SHARED（修改写回文件）或 MAP_PRIVATE（不写回）
fd 是要映射的文件的打开文件描述符
offset 为零

你的实现应该惰性填充页表，响应 page fault。也就是说，mmap 本身不应该分配物理内存或读取文件。相反，在 page fault 处理代码中执行这些操作。原因是确保大文件的 mmap 快速，以及映射大于物理内存的文件是可能的。

munmap 的声明：

int munmap(void *addr, size_t len);

munmap 应该删除指示地址范围中的 mmap 映射（如果有）。如果进程修改了内存并且它映射为 MAP_SHARED，修改应该首先写入文件。

你应该实现足够的 mmap 和 munmap 功能使 mmaptest 测试程序工作。你还必须确保 usertests -q 继续工作。

$ mmaptest
test basic mmap
test basic mmap: 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 lazy access
test lazy access: OK
test mmap two files
test mmap two files: OK
test fork
test fork: OK
test munmap prevents access
usertrap(): unexpected scause 0xd pid=7
            sepc=0x924 stval=0xc0001000
test munmap prevents access: OK
test writes to read-only mapped memory
usertrap(): unexpected scause 0xf pid=9
            sepc=0xaf4 stval=0xc0000000
test writes to read-only mapped memory: OK
mmaptest: all tests succeeded
$ usertests -q
usertests starting
...
ALL TESTS PASSED
$

以下是一些提示：

首先将 _mmaptest 添加到 UPROGS，并添加 mmap 和 munmap 系统调用，以使 user/mmaptest.c 编译。现在，只需从 mmap 和 munmap 返回错误。我们在 kernel/fcntl.h 中为你定义了 PROT_READ 等。运行 mmaptest，它会在第一次 mmap 调用时失败。
跟踪 mmap 为每个进程映射了什么。定义一个对应于"应用程序虚拟内存"讲座中描述的 VMA（虚拟内存区域）的结构。这应该记录由 mmap 创建的虚拟内存范围的地址、长度、权限、文件等。由于 xv6 内核没有可变大小的内存分配器，声明一个固定大小的 VMA 数组并根据需要从该数组分配是可以的。大小 16 应该足够。
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 应该包含一个指向被映射文件的 struct file 的指针；mmap 应该增加文件的引用计数，以便文件关闭时结构不会消失（提示：参见 filedup）。运行 mmaptest：第一次 mmap 应该成功，但第一次访问 mmap 的内存会导致 page fault 并杀死 mmaptest。
添加代码使 mmap 区域中的 page fault 分配一页物理内存，将相关文件的 4096 字节读取到该页中，并将其映射到用户地址空间中。使用 readi 读取文件，它接受文件中读取的偏移量参数（但你必须锁定/解锁传递给 readi 的 inode）。不要忘记正确设置页的权限。运行 mmaptest；它应该到达第一次 munmap。
实现 munmap：找到地址范围的 VMA 并取消映射指定的页（提示：使用 uvmunmap）。如果 munmap 删除了前一个 mmap 的所有页，它应该减少相应 struct file 的引用计数。如果已取消映射的页已被修改且文件映射为 MAP_SHARED，将该页写回文件。查看 filewrite 获取灵感。
理想情况下，你的实现只会写回程序实际修改的 MAP_SHARED 页。RISC-V PTE 中的脏位（D）指示页是否已被写入。然而，mmaptest 不检查非脏页是否未写回；因此你可以不查看 D 位就写回页。
修改 exit 以取消映射进程的映射区域，就像调用了 munmap 一样。运行 mmaptest；所有测试通过 test mmap two files 应该通过，但可能不是 test fork。
修改 fork 以确保子进程具有与父进程相同的映射区域。不要忘记增加 VMA 的 struct file 的引用计数。在子进程的 page fault handler 中，分配新物理页而不是与父进程共享页是可以的。运行 mmaptest；它应该通过所有测试。

运行 usertests -q 确保一切仍然工作。

提交实验

时间花费

创建一个新文件 time.txt，放入一个整数，表示你花在实验上的小时数。

答案

如果本实验有问题，将答案写在 answers-mmap.txt 中。

提交

运行 make zipball，上传到 Gradescope。

请运行 make grade 确保代码通过所有测试
在运行 make zipball 之前提交任何修改的源代码

可选挑战

如果两个进程 mmap 同一个文件（如 fork 测试中），共享它们的物理页。你需要物理页的引用计数。
你的解决方案可能为从 mmap 文件读取的每个页分配新物理页，即使数据也在内核内存中的缓冲缓存中。修改你的实现使用那些物理内存，而不是分配新页。这需要文件大小与页大小相同（设置 BSIZE 为 4096）。你需要将 mmap 的块固定在缓冲缓存中。
移除惰性分配和 mmap 文件实现之间的冗余。（提示：为惰性分配区域创建 VMA。）
修改 exec 使用 VMA 处理二进制文件的不同部分，使你可以按需分页的可执行文件。
实现页出和页入：当物理内存低时，内核将进程的部分移动到磁盘上。然后，当进程引用分页出的内存时，将其分页进来。

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