自制 x86-64 内核（46）：mmap 文件映射

上一章实现了 TCP 服务端，这章来实现一个经典的内存管理功能：mmap 文件映射。

什么是 mmap 文件映射

mmap 把文件的一段内容映射到进程的虚拟地址空间。映射后可以像读内存一样读文件——不需要 read() 系统调用，直接解引用指针。

int fd = open("/bin/busybox", O_RDONLY);
char *p = mmap(NULL, 4096, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
// p[0..3] 就是文件的前 4 字节（ELF magic: 7f 45 4c 46）

关键设计：VMA 和 Lazy 分配

mmap 不会立刻分配物理内存，而是登记一个 VMA（虚拟内存区域），等到进程真正访问这段地址时，才通过缺页异常按需读取文件内容并建立页表映射。

mmap(fd) → 注册 VMA（vaddr, len, inum, offset） → 返回虚拟地址
                        ↓ 进程访问该地址
              #PF not-present → 找到 VMA → 分配物理页
                              → ext2_read(inum, offset, page)
                              → 建立页表 → 重试指令

这就是操作系统课上说的"按需分页"（demand paging）。

实现步骤

1. 定义 VMA 结构

在 process_t 中加入 VMA 数组：

typedef struct {
    uint64_t vaddr;
    uint64_t len;
    uint32_t inum;        // ext2 inode 号
    uint32_t file_offset;
    int      flags;
} vma_t;

2. mmap 系统调用：只登记，不分配

mmap 的 Linux x86-64 ABI 有 6 个参数（addr, len, prot, flags, fd, offset），而我们的 syscall_handler 只接收 5 个。offset（r9）被压在 syscall_frame[0] 上，直接读取：

uint64_t mmap_offset = syscall_frame ? syscall_frame[0] : 0;
// 找到文件 inum，登记 VMA，返回虚拟地址（不分配物理页）

3. 缺页处理：读文件内容填充页面

在 isr.c 的缺页处理中，识别"not-present + 在某个 VMA 内"的情况：

if (!is_present && current) {
    uint64_t fault_page = cr2 & ~0xFFFULL;
    for (int vi = 0; vi < current->vma_count; vi++) {
        vma_t *v = &current->vmas[vi];
        if (fault_page >= v->vaddr && fault_page < v->vaddr + v->len) {
            uint64_t phys = pmm_alloc();
            memset(phys, 0, 4096);
            ext2_read(v->inum, v->file_offset + (fault_page - v->vaddr), phys, 4096);
            vmm_map_page(current->pml4, fault_page, phys, PAGE_USER_RW);
            return;  // 成功，CPU 重新执行触发 fault 的指令
        }
    }
}

验证

mmap_test 程序 mmap /bin/busybox 的前 4096 字节，读取 ELF 魔数：

mmap ok, first bytes: 7f 45 4c 46
ELF magic ok!

7f 45 4c 46 = \x7fELF，正是 ELF 文件头魔数。缺页处理正确从 ext2 读取了文件内容。

小结

mmap 是现代 OS 的核心特性，动态链接库（.so）加载、进程 exec（代码段）、文件数据库等都依赖它。这一章建立了最基础的 demand paging 机制。