3. munmap与内存同步：解除映射、同步机制与共享模式

在 Linux 内存映射的生命周期中，解除映射（munmap） 和 内存同步（msync） 是决定数据完整性与资源释放的关键环节。本章深入分析 munmap 的底层行为、msync 的同步策略，以及 MAP_SHARED 与 MAP_PRIVATE 在写回机制上的本质差异。

3.1 munmap：解除映射的完整流程

munmap 系统调用用于删除指定地址区间的所有页表项，并释放对应的虚拟内存区域（VMA）。其原型如下：

#include <sys/mman.h>
int munmap(void *addr, size_t length);

解除映射时，内核执行以下关键步骤：

1. VMA 查找与校验：根据 addr 在进程的 VMA 红黑树中定位对应的 vma 结构体，校验区间合法性。
2. 页表解除：遍历该区间内的所有页表项，清除 PTE 中的 present 位，并刷新 TLB。
3. 物理页引用计数递减：对于 MAP_SHARED 映射，递减物理页的引用计数；若计数归零且页为脏，则触发回写。
4. VMA 分裂或合并：若解除区间位于 VMA 中间，内核将原 VMA 分裂为两个独立的 VMA。
5. 文件映射的脏页回写：对于 MAP_SHARED 的文件映射，内核在 munmap 时自动将脏页写回文件（但不等同于 msync 的强制同步）。

3.2 msync：内存同步的精细控制

msync 系统调用用于将内存映射区域中的修改同步回底层文件，是保证 MAP_SHARED 映射数据持久化的核心手段。

#include <sys/mman.h>
int msync(void *addr, size_t length, int flags);

flags 参数控制同步行为，三种模式对比如下：

3.3 MAP_SHARED 与 MAP_PRIVATE 的本质差异

两种映射模式在写回策略、内存开销和进程间可见性上存在根本区别。下表从多个维度进行对比：

3.4 调试案例：共享内存同步丢失

以下是一个典型的调试场景，展示未正确使用 msync 导致的数据丢失问题：

/* 错误示例：未调用 msync 直接 munmap */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int fd = open("/tmp/shared.dat", O_RDWR | O_CREAT, 0644);
    ftruncate(fd, 4096);

    char *addr = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE,
                      MAP_SHARED, fd, 0);

    /* 写入数据 */
    sprintf(addr, "Critical log entry #%d", 42);

    /* 错误：没有 msync 直接 munmap */
    munmap(addr, 4096);
    close(fd);

    /* 此时数据可能尚未落盘，系统崩溃将丢失 */
    return 0;
}

/* 正确示例：munmap 前显式调用 msync */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    int fd = open("/tmp/shared.dat", O_RDWR | O_CREAT, 0644);
    ftruncate(fd, 4096);

    char *addr = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE,
                      MAP_SHARED, fd, 0);

    /* 写入数据 */
    sprintf(addr, "Critical log entry #%d", 42);

    /* 正确：强制同步到磁盘 */
    if (msync(addr, 4096, MS_SYNC) == -1) {
        perror("msync failed");
    }

    munmap(addr, 4096);
    close(fd);
    return 0;
}

3.5 内核视角：VMA 与页表操作

从内核源码角度看，munmap 的核心路径位于 mm/mmap.c 中的 do_munmap() 函数。关键操作包括：

• vma 查找：通过 find_vma() 在红黑树中定位起始 VMA。
• 页表遍历：调用 unmap_region() 遍历页表，清除 PTE 并释放页表页。
• 脏页处理：对于 MAP_SHARED 映射，filemap_write_and_wait() 尝试回写脏页，但不等同于 msync 的强制等待。
• VMA 操作：split_vma() 和 remove_vma() 维护 VMA 链表和红黑树。

msync 在内核中对应 mm/msync.c 的 sys_msync()，其核心逻辑：

/* 内核 msync 简化流程 */
SYSCALL_DEFINE3(msync, unsigned long, start, size_t, len, int, flags)
{
    /* 1. 校验地址区间合法性 */
    /* 2. 遍历区间内所有 VMA */
    /* 3. 对 MAP_SHARED 的 VMA 调用 filemap_write_and_wait_range() */
    /* 4. 若 flags 包含 MS_INVALIDATE，调用 invalidate_mapping_pages() */
    /* 5. 返回 0 或错误码 */
}