面试题：C语言内存映射中内存保护机制的实现

Question

在Linux C语言内存映射场景下，如何利用系统提供的机制实现对映射内存区域的读写保护？请描述相关的系统调用及代码实现思路，并说明这种保护机制在实际应用中的意义。

Answer 1

相关系统调用

1. mmap：用于创建内存映射。其原型为：

   void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
   

   • prot参数用于指定映射区域的保护权限。常用的标志有：
     • PROT_READ：表示映射区域可读。
     • PROT_WRITE：表示映射区域可写。
     • PROT_EXEC：表示映射区域可执行。
   • 通过合理设置prot参数，可以控制对映射内存区域的读写权限。例如，若只想让映射区域可读，可设置prot为PROT_READ。
2. mprotect：用于修改已映射内存区域的保护权限。其原型为：

   int mprotect(void *addr, size_t len, int prot);
   

   • addr是映射区域的起始地址。
   • len是需要修改权限的区域长度。
   • prot是新的保护权限设置，与mmap中的prot参数类似。

代码实现思路

1. 使用mmap创建内存映射并设置初始保护权限：

   #include <stdio.h>
   #include <stdlib.h>
   #include <fcntl.h>
   #include <sys/mman.h>
   #include <sys/stat.h>
   #include <unistd.h>
   
   int main() {
       int fd = open("testfile", O_RDWR);
       if (fd == -1) {
           perror("open");
           return 1;
       }
   
       struct stat sb;
       if (fstat(fd, &sb) == -1) {
           perror("fstat");
           close(fd);
           return 1;
       }
   
       void *ptr = mmap(NULL, sb.st_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
       if (ptr == MAP_FAILED) {
           perror("mmap");
           close(fd);
           return 1;
       }
   
       // 此时映射区域可读可写
   
       // 关闭文件描述符，因为内存映射已经建立
       close(fd);
   

2. 使用mprotect修改保护权限：

   // 假设要将映射区域改为只读
   if (mprotect(ptr, sb.st_size, PROT_READ) == -1) {
       perror("mprotect");
       munmap(ptr, sb.st_size);
       return 1;
   }
   // 此时映射区域变为只读，若尝试写入会触发SIGSEGV信号
   
   // 后续操作...
   
   // 解除映射
   if (munmap(ptr, sb.st_size) == -1) {
       perror("munmap");
       return 1;
   }
   return 0;
   }
   

实际应用中的意义

1. 数据安全：防止程序意外或恶意地修改关键数据。例如，对于存储在内存映射文件中的配置信息，将其设置为只读可以避免程序运行过程中无意的修改，保证配置的稳定性和正确性。
2. 内存隔离：在多进程或多线程环境中，通过设置不同的读写保护权限，可以实现内存区域的隔离。比如，共享内存区域对于某些进程或线程可以设置为只读，防止其对共享数据的误操作，确保数据的一致性。
3. 程序健壮性：当程序尝试访问受保护的内存区域时，会触发信号（如SIGSEGV），程序可以捕获该信号并进行相应的错误处理，从而提高程序的健壮性和稳定性。