mmap(2)

• https://www.man7.org/linux/man-pages/man2/mmap.2.html
• https://en.wikipedia.org/wiki/Mmap
• 9. Virtual Memory {CSAPP}

#include <sys/mman.h>
void *mmap(void addr[.length], size_t length, int prot, int flags,
  		   int fd, off_t offset);
int munmap(void addr[.length], size_t length);

Description

mmap은 fd가 가리키는 파일의 offset 지점을 기준으로 length만큼을 가상 메모리 공간에 매핑해주는 함수이다.

• addr: 메모리 매핑 시작주소 선호위치를 커널에게 넘김. 즉, 커널이 다른 곳에 할당해 주어도 불만 가지면 안된다. Nullable
• offset: 반드시 sysconf(_SC_PAGE_SIZE)에 의해 명시된 페이지 사이즈의 배수여야 한다고
• fd: mmap함수 호출로 메모리가 매핑되면 매핑 영역을 훼손하지 않기 위해 바로 fd를 닫아야 한다.
• prot: memory protection의 약자. 별걸 다 줄이네.. 메모리 보호 규칙을 bitwise OR로 정의할 수 있다. 반드시 fd 열 때 먹였던 모드와 충돌하면 안된다.
  • 사용하는 메모리 보호규칙으로는 PROT_EXEC, PROT_READ, PROT_WRITE, PROT_NONE이 있다.
• flag: 매핑시 다른 프로세스들도 그 영역을 보거나 쓸 수 있는지(MAP_SHARED), Copy On Write를 사용할건지(MAP_PRIVATE) 결정한다.
  • MAP_ANON[YMOUS]: 얘는 좀 특이하다. fd값을 무시하고 어느 파일과도 매핑을 하지 않는다고 한다.
  • MAP_FIXED: 동시성 프로그래밍과 관련하여 주의해야 할 사항이 Notes에 적혀있다.

munmap은 매핑한 주소와 length사이만큼의 구간을 unmap 한다. 즉, 해당 구역의 메모리 공간을 비활성화 한다. fd를 닫는다고 unmap이 되지 않는다는 점 유의.

Notes

mmap으로 매핑한 메모리 영역은 fork(2) 를 통해 공유될 수 있다.

wiki

• mmap으로 할당받은 영역은 언제나 게으르게 파일을 읽거나 쓴다. 이것을 Lazy demanding이라고 부른다.
• MAP_SHARED로 매핑한 영역은 fork에 의한 영역을 보존하여 부모(또는 자식) 프로세스가 그 영역을 수정하면 다른 프로세스도 수정된 내용을 볼 수 있다.
• MAP_PRIVATE으로 매핑한 영역은 fork를 하게되면 Copy On Write 메커니즘으로 인해 프로세스마다 다른 값을 가지게 된다.
• msync(2) 시스템 콜을 호출하면 강제로 수정한 메모리 맵 영역을 파일로 밀어넣게 된다. MAP_SHARED로 매핑한 영역도 다른 프로세스들이 나의 수정사항을 보게 만들고 싶다면 수정 후msync를 호출해야 한다.

Question

메모리 공간은 랜덤 액세스가 가능하기에 pointer arithmetic또한 가능합니다. mmap을 사용하여 파일과 메모리를 매핑하면 파일(디스크파일, 소켓)도 pointer arithmetic을 사용한 랜덤 액세스가 가능해지나요?

질문의 의도는 Unix IO만을 사용하면 순차읽기밖에 허용하지 않는데, mmap을 사용하면서 랜덤 액세스가 가능해지는 것이 아닌가 궁금했다. 디스크는 랜덤액세스가 가능한 반면, 소켓은 랜덤 액세스가 안되는 거 아닌가?

Answer by @신병철

디스크도 sequential access이다. 다만 그 속도가 (상대적으로) 빨라서 랜덤 액세스 인것처럼 보이는 것이고. lazy demand한 속성으로 인해 메모리 맵 공간은 초기에는 아무것도 메모리에 올라와 있지 않다가 맵 공간 안 임의주소를 참조하면 시작지점부터 해당 주소(가 들어있는 페이지)까지를 읽어들인 뒤에 비로소 그 위치의 값을 참조하게 될 것이다.

stdin과 같이 스트림으로 들어오는 파일은 어떻게 될까? 실험을 해봐야 알겠지만 내 생각엔 해당 메모리 위치가 나올 때까지 Blocking 상태가 될 것 같다.

실험 with mmap & stdin

1. stdin을 mmap한다. 그 첫 주소의 위치를 stdin_p라고 하자.
2. *(stdin_p + 10)의 값을 출력한다. 그러면 분명 blocking 상태가 되겠지.
3. 의도적으로 터미널에 한 글자만(1 byte) 넣고 엔터를 쳐보자.
4. 긴 문자열 (적어도 10byte는 넘는)을 터미널에 넣고 엔터를 쳐보자.

결과: SEGFAULT

커널 단에서 유저의 입력을 대기할 줄 알았는데, 초기화 되지 않은 맵 영역을 출력하지도 않고 곧장 죽어버린다. 다만 ./a.out < driver.c 와 같이 디스크파일을 프로세스의 stdin으로 리디렉션 하게 만들자 정상적으로 출력이 됐다. 역시 포인터 연산은 아무렇게나 한다고 되는 것이 아니구나. read 따위를 써야겠다.

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