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Linux Syscallのmmapの実装を辿る on RV64

Linux
risc-v
ピン留めされたアイテム
NanamiiiiiNanamiiiii

TL;DR

Linuxにおける，仮想アドレスへのマッピングを行うシステムコールmmap()の実装を追う必要に迫られたので，メモ

個人的Goal

Kernel DriverでMisc Deviceを作成し，そこで実装したf_op->mmap()が呼ばれるまでの流れや引き渡されるデータを追う

Reference

https://qiita.com/akachochin/items/259c865cf4ab1fcd11df

NanamiiiiiNanamiiiii

システムコールの定義から追う
ユーザーランドから呼ばれるのはこれ

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

Context Switchを挟んでカーネル側で呼ばれる実体はarch/riscv/sys_riscv.cにある

https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.5/arch/riscv/kernel/sys_riscv.c#L20-L39

下側のSYSCALL_DEFINE6のところがRISC-Vにおける実質的なmmap()の定義．
これはそのまま上側のriscv_sys_mmap()へ引数を渡して呼んでいるのみ．

riscv_sys_mmap()はoffsetをチェックし，ページ単位に変換してksys_mmap_pgoff()を呼ぶ．

NanamiiiiiNanamiiiii

ここではNOMMUでない場合の実装を追うので，ksys_mmap_pgoff()の実装はmm/mmap.cにある．
ちなみにこれはmmap_pgoff()としてシステムコール定義もされている．

https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.5/mm/mmap.c#L1371-L1421

まず，flagsにMAP_ANONYMOUSの指定があるかで分岐する．このフラグが指定されている場合，ファイルとの関連付けをせず，fdとoffsetを無視する．
MAP_ANONYMOUSの指定がない場合，上側のifブロックを通る．
https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.5/mm/mmap.c#L1378-L1388

  • audit_mmap_fd()
    • syscall監査を有効(CONFIG_AUDITSYSCALL = y)にしてビルドしたカーネルの場合，ここでシステムコールの監査が入る．無効であれば何もしない．
  • fget()
    • struct fileのポインタを取ってくる
  • is_file_hugepages()
    • ファイルがhugepageを扱うかどうか？f_opのポインタで判定しているみたい（hugepageのf_opがグローバル定数で定義されているため．細かく読んでないので違うかも．）
    • hugepageの場合，マッピングする長さをhugepageのサイズにalignする
    • hugepageでないのにflagsにMAP_HUGETLBの指定がある場合，エラー

MAP_ANONYMOUSの指定があり，かつMAP_HUGETLBでもあるときは以下．
https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.5/mm/mmap.c#L1389-L1407

  • hstate構造体を得てマップサイズをalign
  • hugetlb_file_setup()
    • ここではanonymousなのでダミーのファイルをセットしている？

ここまで下処理で，これが主処理．
https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.5/mm/mmap.c#L1409

NanamiiiiiNanamiiiii

do_mmap()

https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.5/mm/mmap.c#L1188-L1369

L1234までは諸々の引数の処理など（validation等）

get_unmapper_area()で仮想アドレス空間から空き領域を得る
https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.5/mm/mmap.c#L1236-L1241
ここで引数で渡されたaddrを書き換えている．引数として渡されるaddrはあくまでマップするアドレスのヒントであり，可能であればaddrにマップされるよう．ただ，基本は0(NULL)を指定する（マップするアドレスは0には絶対にならないので，addrは実際にマッピングするアドレスに書き換えられる）．

L1243-L1266あたりまでは，フラグに関連した処理だったりが続く．その後，バッキングストアが存在するかで処理が分岐．

NanamiiiiiNanamiiiii

バッキングストアがあるとき

https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.5/mm/mmap.c#L1268-L1327

  • file_mmap_ok()
    • マップできる最大のサイズをlenが超えていないかチェック
    • （そもそもマップ自体が可能かの確認も）
  • 残りはマップフラグ関連の処理
    • MAP_SHAREDとMAP_SHARED_VALIDATEとMAP_PRIVATE
    • いずれもない時はEINVAL

バッキングストアなし

https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.5/mm/mmap.c#L1327-L1347

  • 同様にマップフラグ関連の処理
    • MAP_SHAREDとMAP_PRIVATE
    • これもいずれもない時はEINVAL

その後MAP_NORESERVEの処理を挟み，mmap_region()を呼ぶ．
https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.5/mm/mmap.c#L1353-L1367

NanamiiiiiNanamiiiii

mmap_region()

https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.5/mm/mmap.c#L2643-L2645

https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.5/mm/mmap.c#L2659-L2671

  • アドレス空間を拡張できるかチェック
  • そのままでは拡張できない場合，交差するvmaをremoveすることで拡張可能かをチェックする

https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.5/mm/mmap.c#L2673-L2685

  • 範囲内のマッピングをすべてunmap
  • accountable_mapping
    • Private Writableなマッピングかどうか
    • security_vm_enough_memory_mmが新しい仮想マップ全体のパーミッションをチェックする

https://github.com/torvalds/linux/blob/v6.5/mm/mmap.c#L2687-L2719

  • 古いマッピングの拡張を試行
  • 後続，前方の順でvmaを拡張できるかチェックし，merged vmaのパラメータを設定
  • 最終的に可能であればmergeを実行
このスクラップは2023/09/26にクローズされました