معامل العلامات (flags)¶

يحدد المعامل flags ما إذا كانت التحديثات على التخطيط مرئية للعمليات الأخرى التي تخطط نفس المنطقة، وما إذا كانت التحديثات تُنقل إلى الملف الأساسي. ويُحدد هذا السلوك بتضمين قيمة واحدة فقط من القيم التالية في flags:

MAP_SHARED

مشاركة هذا التخطيط. تكون التحديثات على التخطيط مرئية للعمليات الأخرى التي تخطط نفس المنطقة، و(في حالة التخطيطات المدعومة بملفات) تُنقل إلى الملف الأساسي. (يتطلب التحكم الدقيق في وقت نقل التحديثات إلى الملف الأساسي استخدام msync(2)).

MAP_SHARED_VALIDATE (منذ لينكس 4.15)

توفر هذه العلامة نفس سلوك MAP_SHARED باستثناء أن تخطيطات MAP_SHARED تتجاهل العلامات غير المعروفة في flags. وبالمقابل، عند إنشاء تخطيط باستخدام MAP_SHARED_VALIDATE، تتحقق النواة من أن جميع العلامات الممرة معروفة وتُفشل التخطيط بالخطأ EOPNOTSUPP للعلامات غير المعروفة. كما أن هذا النوع من التخطيط مطلوب للتمكن من استخدام بعض علامات التخطيط (مثل MAP_SYNC).

MAP_PRIVATE

إنشاء تخطيط خاص بنظام النسخ عند الكتابة (copy-on-write). لا تكون التحديثات على التخطيط مرئية للعمليات الأخرى التي تخطط نفس الملف، ولا تُنقل إلى الملف الأساسي. وغير محدد ما إذا كانت التغييرات التي أُجريت على الملف بعد استدعاء mmap() ستكون مرئية في المنطقة المخططة.

كلا العلامتين MAP_SHARED و MAP_PRIVATE موصوفتان في POSIX.1-2001 و POSIX.1-2008. أما MAP_SHARED_VALIDATE فهي امتداد للينكس.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن إجراء عملية OR لصفر أو أكثر من القيم التالية في flags:

MAP_32BIT (منذ لينكس 2.4.20، 2.6)

وضع التخطيط في أول 2 جيجابايت من مساحة عناوين العملية. تدعم هذه العلامة فقط على معمارية x86-64، للبرامج ذات 64 بت. أُضيفت للسماح بتخصيص كدسات الخيوط في مكان ما ضمن أول 2 جيجابايت من الذاكرة، لتحسين أداء تبديل السياق في بعض معالجات 64 بت المبكرة. لم تعد معالجات x86-64 الحديثة تعاني من مشكلة الأداء هذه، لذا لا يشترط استخدام هذه العلامة في تلك الأنظمة. تُتجاهل العلامة MAP_32BIT عند ضبط MAP_FIXED.

MAP_ANON

مرادف لـ MAP_ANONYMOUS؛ توفر للتوافق مع التنفيذات الأخرى.

MAP_ANONYMOUS

التخطيط غير مدعوم بأي ملف؛ وتُهيأ محتوياته إلى الصفر. يُتجاهل المعامل fd؛ ومع ذلك، تتطلب بعض التنفيذات أن يكون fd مساويًا لـ -1 إذا حُددت MAP_ANONYMOUS (أو MAP_ANON)، ويجب أن تضمن التطبيقات القابلة للنقل ذلك. يجب أن يكون المعامل offset صفرًا. أُضيفت دعم MAP_ANONYMOUS مع MAP_SHARED في لينكس 2.4.

MAP_DENYWRITE

تُتجاهل هذه العلامة. (منذ زمن بعيد -لينكس 2.0 وما قبله- كانت تشير إلى أن محاولات الكتابة إلى الملف الأساسي يجب أن تفشل بالخطأ ETXTBSY. ولكن هذا كان مصدرًا لهجمات حجب الخدمة).

MAP_EXECUTABLE

تُتجاهل هذه العلامة.

MAP_FILE

علامة توافقية. تُتجاهل.

MAP_FIXED

لا تفسر addr كتلميح: ضع التخطيط عند هذا العنوان تمامًا. يجب محاذاة addr بشكل مناسب: في معظم المعماريات يكفي أن يكون مضاعفًا لحجم الصفحة؛ ومع ذلك، قد تفرض بعض المعماريات قيودًا إضافية. إذا كانت منطقة الذاكرة المحددة بواسطة addr و length تتداخل مع صفحات أي تخطيط (أو تخطيطات) موجودة، فسيُهمل الجزء المتداخل من التخطيط (التخطيطات) الموجودة. إذا تعذر استخدام العنوان المحدد، فستفشل mmap().

يجب على البرمجيات التي تطمح لأن تكون قابلة للنقل استخدام العلامة MAP_FIXED بحذر، مع الأخذ في الاعتبار أنه يُسمح بتغيير المخطط الدقيق لتخطيطات ذاكرة العملية بشكل كبير بين إصدارات لينكس، وإصدارات مكتبة سي، وإصدارات أنظمة التشغيل. اقرأ بعناية مناقشة هذه العلامة في قسم الملاحظات (NOTES)!

MAP_FIXED_NOREPLACE (منذ لينكس 4.17)

توفر هذه العلامة سلوكًا مشابهًا لـ MAP_FIXED فيما يتعلق بفرض العنوان addr، ولكنها تختلف في أن MAP_FIXED_NOREPLACE لا تمسح أبدًا أي نطاق مخطط مسبقًا. إذا اصطدم النطاق المطلوب مع تخطيط موجود، فإن هذا الاستدعاء يفشل بالخطأ EEXIST. لذا يمكن استخدام هذه العلامة كوسيلة لمحاولة تخطيط نطاق عناوين بشكل ذري (فيما يتعلق بالخيوط الأخرى): سينجح خيط واحد؛ وستبلغ جميع الخيوط الأخرى عن الفشل.

لاحظ أن النوى القديمة التي لا تتعرف على العلامة MAP_FIXED_NOREPLACE ستتراجع عادةً (عند اكتشاف تصادم مع تخطيط موجود مسبقًا) إلى سلوك من نوع "غير MAP_FIXED": حيث ستعيد عنوانًا يختلف عن العنوان المطلوب. لذا، يجب على البرمجيات المتوافقة مع الإصدارات السابقة التحقق من العنوان المعاد ومقارنته بالعنوان المطلوب.

MAP_GROWSDOWN

تُستخدم هذه العلامة للكدسات. وهي تشير لنظام الذاكرة الافتراضية في النواة بأن التخطيط يجب أن يمتد للأسفل في الذاكرة. العنوان المُعاد هو صفحة واحدة أقل من منطقة الذاكرة التي أُنشئت فعليًا في مساحة العناوين الافتراضية للعملية. سيؤدي الوصول لعنوان في صفحة "الحماية" أسفل التخطيط إلى نمو التخطيط بمقدار صفحة. يمكن تكرار هذا النمو حتى ينمو التخطيط ليصل إلى مسافة صفحة واحدة من الطرف العلوي للتخطيط الأدنى التالي، وعندها سيؤدي الوصول لصفحة "الحماية" إلى إشارة SIGSEGV.

MAP_HUGETLB (منذ لينكس 2.6.32)

تخصيص التخطيط باستخدام الصفحات "الضخمة". انظر ملف مصدر نواة لينكس Documentation/admin-guide/mm/hugetlbpage.rst لمزيد من المعلومات، بالإضافة إلى قسم الملاحظات (NOTES) أدناه.

MAP_HUGE_2MB

MAP_HUGE_1GB (منذ لينكس 3.8)

تُستخدم مع MAP_HUGETLB لاختيار أحجام بديلة لصفحات hugetlb (على التوالي، 2 ميجابايت و 1 جيجابايت) في الأنظمة التي تدعم أحجامًا متعددة لصفحات hugetlb.

بشكل عام، يمكن ضبط حجم الصفحة الضخمة المطلوب بترميز اللوغاريتم للأساس 2 لحجم الصفحة المطلوب في البتات الستة عند الإزاحة MAP_HUGE_SHIFT. (قيمة الصفر في حقل البتات هذا توفر حجم الصفحة الضخمة المبدئي؛ يمكن اكتشاف حجم الصفحة الضخمة المبدئي عبر حقل Hugepagesize المعروض في /proc/meminfo). وبذلك، يُعرف الثابتان المذكوران أعلاه كالتالي:

#define MAP_HUGE_2MB    (21 << MAP_HUGE_SHIFT)
#define MAP_HUGE_1GB    (30 << MAP_HUGE_SHIFT)
    

يمكن اكتشاف نطاق أحجام الصفحات الضخمة التي يدعمها النظام بسرد الأدلة الفرعية في /sys/kernel/mm/hugepages.

MAP_LOCKED (منذ لينكس 2.5.37)

تعليم المنطقة المخططة لتُقفل بنفس طريقة mlock(2). سيحاول هذا التنفيذ ملء النطاق بالكامل مسبقًا ولكن لا يفشل استدعاء mmap() بالخطأ ENOMEM إذا فشل ذلك. لذا قد تحدث أخطاء جسيمة (major faults) لاحقًا. وبذلك فإن الدلالة ليست بقوة mlock(2). يجب استخدام mmap() بالإضافة لـ mlock(2) عندما لا تكون الأخطاء الجسيمة مقبولة بعد تهيئة التخطيط. تُتجاهل العلامة MAP_LOCKED في النوى القديمة.

MAP_NONBLOCK (منذ لينكس 2.5.46)

هذه العلامة ذات معنى فقط عند استخدامها مع MAP_POPULATE. لا تقم بالقراءة المسبقة: أنشئ مدخلات جداول الصفحات فقط للصفحات الموجودة بالفعل في RAM. منذ لينكس 2.6.23، تجعل هذه العلامة MAP_POPULATE لا تفعل شيئًا. قد يُعاد تنفيذ الجمع بين MAP_POPULATE و MAP_NONBLOCK يومًا ما.

MAP_NORESERVE

عدم حجز مساحة تبديل (swap) لهذا التخطيط. عند حجز مساحة التبديل، يكون هناك ضمان بإمكانية تعديل التخطيط. وعندما لا تُحجز مساحة التبديل، قد تحصل على إشارة SIGSEGV عند الكتابة إذا لم تتوفر ذاكرة فيزيائية. انظر أيضًا مناقشة الملف /proc/sys/vm/overcommit_memory في proc_sys_vm(5). قبل لينكس 2.6، كان لهذه العلامة تأثير فقط على التخطيطات الخاصة القابلة للكتابة.

MAP_POPULATE (منذ لينكس 2.5.46)

ملء (خطأ مسبق) جداول الصفحات للتخطيط. بالنسبة لتخطيط الملفات، يؤدي هذا للقراءة المسبقة للملف. سيساعد هذا في تقليل الحجب بسبب أخطاء الصفحات لاحقًا. لا يفشل استدعاء mmap() إذا تعذر ملء التخطيط (على سبيل المثال، بسبب قيود على عدد الصفحات الضخمة المخططة عند استخدام MAP_HUGETLB). أُضيفت دعم MAP_POPULATE مع التخطيطات الخاصة في لينكس 2.6.23.

MAP_STACK (منذ لينكس 2.6.27)

تخصيص التخطيط عند عنوان مناسب لكدسة عملية أو خيط.

هذه العلامة حاليًا لا تفعل شيئًا في لينكس. ومع ذلك، باستخدام هذه العلامة، يمكن للتطبيقات ضمان حصولها بشكل شفاف على الدعم إذا نُفذت العلامة في المستقبل. وبذلك، تُستخدم في تنفيذ الخيوط في glibc لمراعاة حقيقة أن بعض المعماريات قد تتطلب (لاحقًا) معاملة خاصة لتخصيصات الكدسة. سبب آخر لاستخدام هذه العلامة هو قابلية النقل: فالعلامة MAP_STACK موجودة (ولها تأثير) في بعض الأنظمة الأخرى (مثل بعض أنظمة BSD).

MAP_SYNC (منذ لينكس 4.15)

تتوفر هذه العلامة فقط مع نوع التخطيط MAP_SHARED_VALIDATE؛ وستتجاهل التخطيطات من نوع MAP_SHARED هذه العلامة بصمت. تُدعم هذه العلامة فقط للملفات التي تدعم DAX (التخطيط المباشر للذاكرة المستديمة). أما للملفات الأخرى، فإن إنشاء تخطيط بهذه العلامة يؤدي لخطأ EOPNOTSUPP.

توفر تخطيطات الملفات المشتركة بهذه العلامة ضمانًا بأنه بينما تكون بعض الذاكرة مخططة كقابلة للكتابة في مساحة عناوين العملية، فإنها ستكون مرئية في نفس الملف عند نفس الإزاحة حتى بعد تعطل النظام أو إعادة تشغيله. وبالتزامن مع استخدام تعليمات CPU المناسبة، يوفر هذا لمستخدمي هذه التخطيطات طريقة أكثر كفاءة لجعل تعديلات البيانات مستديمة.

MAP_UNINITIALIZED (منذ لينكس 2.6.33)

عدم مسح الصفحات المجهولة. تهدف هذه العلامة لتحسين الأداء في الأجهزة المدمجة. لا تُحترم هذه العلامة إلا إذا ضُبطت النواة بخيار CONFIG_MMAP_ALLOW_UNINITIALIZED. وبسبب الآثار الأمنية، لا يُفعل هذا الخيار عادةً إلا في الأجهزة المدمجة (أي الأجهزة التي يمتلك فيها الشخص تحكمًا كاملاً في محتويات ذاكرة المستخدم).

من بين العلامات المذكورة أعلاه، حُددت MAP_FIXED فقط في POSIX.1-2001 و POSIX.1-2008. ومع ذلك، تدعم معظم الأنظمة أيضًا MAP_ANONYMOUS (أو مرادفها MAP_ANON).

munmap()¶

يحذف استدعاء النظام munmap() التخطيطات لنطاق العناوين المحدد، ويؤدي إلى أن تولد المراجع اللاحقة للعناوين داخل النطاق مراجع ذاكرة غير صالحة. كما يُفصل النطاق آليًا عند إنهاء العملية. ومن ناحية أخرى، فإن إغلاق واصف الملف لا يفصل النطاق.

يجب أن يكون العنوان addr مضاعفًا لحجم الصفحة (ولكن length لا يشترط ذلك). تُفصل جميع الصفحات التي تحتوي على جزء من النطاق المشار إليه، وستولد المراجع اللاحقة لهذه الصفحات إشارة SIGSEGV. ولا يعتبر خطأً إذا لم يحتوي النطاق المشار إليه على أي صفحات مخططة.

الاختلافات بين مكتبة C والنواة¶

تصف هذه الصفحة الواجهة التي توفرها دالة الغلاف mmap() في glibc. في الأصل، كانت هذه الدالة تستدعي نداء نظام بنفس الاسم. ومنذ لينكس 2.4، حل نداء النظام mmap2(2) محل هذا النداء، وحاليًا تستدعي دالة غلاف mmap() في glibc نداء mmap2(2) مع قيمة معدلة لـ offset.

استخدام MAP_FIXED بأمان¶

الاستخدام الآمن الوحيد لـ MAP_FIXED هو عندما يكون نطاق العناوين المحدد بواسطة addr و length قد حُجز مسبقًا باستخدام تخطيط آخر؛ وبخلاف ذلك، فإن استخدام MAP_FIXED يعد خطرًا لأنه يزيل التخطيطات الموجودة مسبقًا قسرًا، مما يسهل على العملية متعددة الخيوط إفساد فضاء عناوينها الخاص.

على سبيل المثال، افترض أن الخيط A يبحث في /proc/pid/maps لتحديد موقع نطاق عناوين غير مستخدم يمكنه تخطيطه باستخدام MAP_FIXED، بينما يحصل الخيط B في الوقت نفسه على جزء من نفس نطاق العناوين هذا أو كله. عندما يستخدم الخيط A لاحقًا mmap(MAP_FIXED)، فإنه سيمحو فعليًا التخطيط الذي أنشأه الخيط B. في هذا السيناريو، لا يحتاج الخيط B لإنشاء تخطيط مباشرة؛ إذ يكفي مجرد إجراء نداء لمكتبة تستخدم داخليًا dlopen(3) لتحميل مكتبة مشتركة أخرى. سيقوم نداء dlopen(3) بتخطيط المكتبة في فضاء عناوين العملية. علاوة على ذلك، يمكن تنفيذ أي نداء مكتبة تقريبًا بطريقة تضيف تخطيطات ذاكرة إلى فضاء العناوين، إما بهذه التقنية أو بمجرد تخصيص الذاكرة. تشمل الأمثلة brk(2)، و malloc(3)، و pthread_create(3)، ومكتبات PAM http://www.linux-pam.org.

منذ لينكس 4.17، يمكن لبرنامج متعدد الخيوط استخدام الراية MAP_FIXED_NOREPLACE لتجنب الخطر الموصوف أعلاه عند محاولة إنشاء تخطيط في عنوان ثابت لم يُحجز بواسطة تخطيط موجود مسبقًا.

تغييرات الطوابع الزمنية للتخطيطات المدعومة بملفات¶

بالنسبة للتخطيطات المدعومة بملفات، قد يُحدث الحقل st_atime للملف المخطط في أي وقت بين mmap() وإلغاء التخطيط المقابل؛ وسيقوم أول وصول لصفحة مخططة بتحديث الحقل إذا لم يكن قد حُدث بالفعل.

سيُحدث الحقلان st_ctime و st_mtime لملف مخطط بـ PROT_WRITE و MAP_SHARED بعد الكتابة إلى المنطقة المخططة، وقبل نداء msync(2) لاحق باستخدام الراية MS_SYNC أو MS_ASYNC، إن وجد.

تخطيطات الصفحات الضخمة (Huge TLB)¶

بالنسبة للتخطيطات التي تستخدم صفحات ضخمة، تختلف متطلبات معطيات mmap() و munmap() نوعًا ما عن متطلبات التخطيطات التي تستخدم حجم صفحة النظام الأصلي.

بالنسبة لـ mmap()، يجب أن يكون offset مضاعفًا لحجم الصفحة الضخمة الأساسي. يضبط النظام آليًا length ليكون مضاعفًا لحجم الصفحة الضخمة الأساسي.

بالنسبة لـ munmap()، يجب أن يكون كل من addr و length مضاعفًا لحجم الصفحة الضخمة الأساسي.

مصدر البرنامج¶

#include <err.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int
main(int argc, char *argv[])
{


    int          fd;


    char         *addr;


    off_t        offset, pa_offset;


    size_t       length;


    ssize_t      s;


    struct stat  sb;


    if (argc < 3 || argc > 4) {


        fprintf(stderr, "%s file offset [length]\n", argv[0]);


        exit(EXIT_FAILURE);


    }


    fd = open(argv[1], O_RDONLY);


    if (fd == -1)


        err(EXIT_FAILURE, "open");


    if (fstat(fd, &sb) == -1)           /* To obtain file size */


        err(EXIT_FAILURE, "fstat");


    offset = atoi(argv[2]);


    pa_offset = offset & ~(sysconf(_SC_PAGE_SIZE) - 1);


        /* offset for mmap() must be page aligned */


    if (offset >= sb.st_size) {


        fprintf(stderr, "offset is past end of file\n");


        exit(EXIT_FAILURE);


    }


    if (argc == 4) {


        length = atoi(argv[3]);


        if (offset + length > sb.st_size)


            length = sb.st_size - offset;


                /* Can't display bytes past end of file */


    } else {    /* No length arg ==> display to end of file */


        length = sb.st_size - offset;


    }


    addr = mmap(NULL, length + offset - pa_offset, PROT_READ,


                MAP_PRIVATE, fd, pa_offset);


    if (addr == MAP_FAILED)


        err(EXIT_FAILURE, "mmap");


    s = write(STDOUT_FILENO, addr + offset - pa_offset, length);


    if (s != length) {


        if (s == -1)


            err(EXIT_FAILURE, "write");


        fprintf(stderr, "partial write");


        exit(EXIT_FAILURE);


    }


    munmap(addr, length + offset - pa_offset);


    close(fd);


    exit(EXIT_SUCCESS);
}