운영체제 기본/Linux의 파일 메모리 매핑/mmap과 주소 공간 문서 원본 보기

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기준은 '''Linux v6.12, x86-64, 일반 ext4 파일, 읽기 전용 <code>MAP_PRIVATE</code>'''다. 파일 오프셋은 0이며 페이지 캐시를 우회하는 DAX(Direct Access) 매핑이나 페이지를 미리 채우는 <code>MAP_POPULATE</code> 옵션, 잠긴 매핑은 사용하지 않는다.

== 주소를 받는 순간과 내용을 읽는 순간 ==

다음 프로그램은 미리 존재하는 비어 있지 않은 일반 파일 <code>sample.bin</code>의 첫 바이트를 숫자로 출력한다. 실행 중 다른 프로세스가 파일을 줄이거나 내용을 바꾸지 않는다고 가정한다. 첫 바이트만 필요하므로 길이는 1이다. Linux는 매핑 범위를 페이지 단위로 관리하지만 프로그램은 그중 첫 바이트만 읽는다.

<pre>
#include &lt;fcntl.h&gt;
#include &lt;stdio.h&gt;
#include &lt;sys/mman.h&gt;
#include &lt;unistd.h&gt;
int main(void) {
    int fd = open("sample.bin", O_RDONLY);
    if (fd == -1) return 1;
    void *p = mmap(NULL, 1, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
    close(fd);
    if (p == MAP_FAILED) return 1;
    printf("%u\n", (unsigned)((const unsigned char *)p)[0]);
    return munmap(p, 1) == -1;
}
</pre>

<code>mmap()</code>의 성공은 파일 내용을 읽는 데 성공했다는 뜻이 아니다. 커널이 해당 프로세스의 가상 주소 범위를 파일에 연결하는 설정을 받아들였다는 뜻이다. 반환값은 파일 내용 자체나 물리 주소가 아니라 '''프로세스가 나중에 접근할 가상 주소'''다. 실제 바이트 읽기는 <code>printf()</code>에 넘길 값을 계산하는 <code>((const unsigned char *)p)[0]</code>에서 발생한다. 두 동작 사이에는 <code>close(fd)</code>까지 들어갈 수 있다.

<code>MAP_PRIVATE</code>라는 이름도 이 시점에 파일 전체의 사본을 만든다는 뜻은 아니다. 이 예제는 <code>PROT_READ</code>만 요청하므로 이 주소를 통한 쓰기를 허용하지 않는다. 파일 수정과 쓰기 시 복사에 관한 이야기는 이 읽기 경로에서 제외한다.

== 시스템 호출은 파일과 주소 공간을 연결한다 ==

사용자 라이브러리를 거쳐 x86-64의 <code>mmap</code> 시스템 호출에 들어가면, 커널은 먼저 바이트 단위 파일 오프셋이 페이지 경계에 맞는지 확인한다. 이후 <code>off >> PAGE_SHIFT</code>로 페이지 단위 오프셋을 만들어 <code>ksys_mmap_pgoff()</code>를 부른다. 예제에서는 둘 다 0이다.<ref name="mmap-x86">[https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/tree/arch/x86/kernel/sys_x86_64.c?h=v6.12 Linux v6.12, arch/x86/kernel/sys_x86_64.c: SYSCALL_DEFINE6(mmap)].</ref>

<code>ksys_mmap_pgoff()</code>는 파일 디스크립터를 <code>fget()</code>으로 커널의 <code>struct file</code> 객체에 연결한다. 이어 <code>vm_mmap_pgoff()</code>가 보안 검사를 거치고 프로세스 주소 공간의 쓰기 잠금을 잡아 <code>do_mmap()</code>을 호출한다. 파일 디스크립터 번호만 저장해 두는 것이 아니라, 실제 열린 파일 객체를 바탕으로 매핑을 구성하는 것이다.<ref name="mmap-mm">[https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/tree/mm/mmap.c?h=v6.12 Linux v6.12, mm/mmap.c: ksys_mmap_pgoff, do_mmap, mmap_region, __mmap_region].</ref><ref name="mmap-util">[https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/tree/mm/util.c?h=v6.12 Linux v6.12, mm/util.c: vm_mmap_pgoff].</ref>

<code>do_mmap()</code>은 길이를 페이지 단위로 올림하고, 사용 가능한 가상 주소 범위를 구하며, 파일의 접근 모드와 요청한 매핑 조건을 검사한다. 그 결과를 <code>mmap_region()</code>에 넘기면 내부의 <code>__mmap_region()</code>이 주소 공간에 매핑을 구성한다. 이 과정에서 등장하는 '''VMA(Virtual Memory Area)'''는 프로세스의 연속된 가상 주소 구간에 적용할 규칙을 담은 커널 자료구조다. VMA는 바이트 내용이나 페이지 테이블 자체가 아니다.<ref name="mmap-mm"/>

새 VMA를 만드는 경로에서는 시작·끝 주소, 파일 내 시작 위치인 <code>vm_pgoff</code>, 읽기 등의 접근 조건, 파일 객체와 연결할 참조를 설정한다. 예제의 시작 주소에서 0바이트 떨어진 위치는 파일의 0바이트에 대응한다. 일반적으로 구간 내 주소의 파일 위치는 VMA의 파일 시작 오프셋에 구간 시작으로부터의 거리를 더해서 정해진다. 호환되는 이웃 VMA와 합칠 수 있으므로, <code>mmap()</code> 한 번이 언제나 별도 VMA 하나로 남는 것은 아니다.<ref name="mmap-mm"/><ref name="mmap-internal">[https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/tree/mm/internal.h?h=v6.12 Linux v6.12, mm/internal.h: vma_set_range, mmap_file].</ref>

== 파일 시스템은 나중의 접근을 처리할 함수를 등록한다 ==

새 파일 매핑을 설정하는 호출 흐름은 다음과 같다. 화살표는 이 예제 조건에서의 호출 관계이며, 모든 파일 시스템에 같은 끝부분이 적용되는 것은 아니다.

<pre>
mmap 시스템 호출 → ksys_mmap_pgoff → vm_mmap_pgoff → do_mmap
→ mmap_region → __mmap_region → mmap_file → call_mmap
→ file->f_op->mmap → ext4_file_mmap
</pre>

<code>mmap_file()</code>은 <code>call_mmap()</code>을 통해 파일 연산 표의 <code>mmap</code> 함수를 호출한다. ext4의 파일 연산 표에는 <code>ext4_file_mmap</code>이 등록되어 있다. DAX가 아닌 경로에서 이 함수는 VMA의 <code>vm_ops</code>를 <code>ext4_file_vm_ops</code>로 지정한다. 이 표에는 <code>.fault = filemap_fault</code>, <code>.map_pages = filemap_map_pages</code>가 들어 있다. 지금 이 함수들로 파일 전체를 읽는 것이 아니라, '''뒤에서 접근을 해결할 때 사용할 함수들을 연결해 두는 것'''이다.<ref name="mmap-internal"/><ref name="mmap-fs">[https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/tree/include/linux/fs.h?h=v6.12 Linux v6.12, include/linux/fs.h: call_mmap].</ref><ref name="mmap-ext4">[https://git.kernel.org/pub/scm/linux/kernel/git/torvalds/linux.git/tree/fs/ext4/file.c?h=v6.12 Linux v6.12, fs/ext4/file.c: ext4_file_operations, ext4_file_mmap, ext4_file_vm_ops].</ref>



== 반환 뒤에도 남는 것 ==

매핑을 만드는 코드는 <code>vma->vm_file = get_file(file)</code>로 파일 객체의 참조를 확보한다. 따라서 예제에서 디스크립터를 닫더라도 살아 있는 매핑이 파일 객체를 유지한다. <code>close()</code>는 <code>munmap()</code>의 대체물이 아니다.<ref name="mmap-mm"/>

반대로, 성공 반환만으로 매핑 범위의 모든 페이지 테이블 엔트리(PTE)에 실제 메모리 연결이 만들어졌다고 생각해서는 안 된다. 이 예제에는 미리 접근을 채우도록 요청하는 옵션이 없고, <code>do_mmap()</code>의 <code>populate</code> 결과도 0으로 남는다. 준비된 것은 주소 구간의 의미와 접근을 처리할 경로다. 파일 데이터가 이미 메모리에 있는지와 이 프로세스가 그 데이터를 가리킬 PTE를 갖는지는 별개의 질문이다.<ref name="mmap-mm"/><ref name="mmap-util"/>

CPU가 매핑된 첫 바이트를 읽다가 필요한 주소 변환을 찾지 못하면 페이지 폴트가 발생한다. 이것이 [[운영체제 기본/Linux의 파일 메모리 매핑/첫 접근과 페이지 폴트|다음 장]]의 출발점이며, [[운영체제 기본/장치 제어와 입출력#처리 진입점과 IDT|IDT]]를 통한 예외 진입과 VMA에 등록한 처리 경로가 이어진다. 파일 데이터의 공급에는 [[운영체제 기본/파일과 입출력|파일 입출력 계층]]의 페이지 캐시가 관여한다.

== 소스 ==
<references />