mmap函数和write函数(多了一次拷贝)--inux函数

mmap函数的使用，与驱动中mmap函数的实现
mmap怎样使用，怎样实现，为什么mmap可以减少额外的拷贝？
下面简单介绍。

一、mmap的使用
*内存映射：
#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,
        int fd, off_t offset);
int munmap(void *addr, size_t length);
[描述]
mmap
把文件或者设备映射到内存。这个函数在调用进程的虚拟地址空间中创建一块映射区域。映射区域的首地址在addr中指定，length指定映射区域的长度。如果addr是NULL，那么由内核来选择一个地址来创建映射的区域,否则创建的时候会尽可能地使用addr的地址。在linux系统中，创建映射的时候应该是在下一个页面的边界创建,addr是NULL的时候，程序的可移植性最好。

length指定文件被映射的长度。

offset指定从文件的哪个偏移位置开始映射，offset必须是页面大小的整数倍页面的大小可以由sysconf(_SC_PAGE_SIZE)来返回.

prot指定内存的保护模式（具体参见man）.
flags指定区域在不同进程之间的共享方式，以及区域是否同步到相应的文件等等（具体参见man）.
这个函数返回新创建的页面的地址。
munmap
取消address指定地址范围的映射。以后再引用取消的映射的时候就会导致非法内存的访问。这里address应该是页面的整数倍。
成功的时候这个函数返回0。
失败的时候，两者都返回-1.
[举例]

 //hello hello hello
 /*程序功能：
  * 1)主要测试mmap和munmap的2)简单的write
  * 具体为：
  * 在命令中分别指定文件名，映射的长度，映射的起始地址.
  * 将文件映射到内存中
  * 把映射到内存中的内容用write写到标准输出。
  * 注意，这里没有对越界进行检测。
  * */
 #include <sys/mman.h>//mmap
 #include <unistd.h>//sysconf
 #include <fcntl.h>//file open
 #include <stdio.h>//printf
 int main(int argc, char *argv[])
 {
     if(argc != 4)
     {
         write(STDOUT_FILENO,"hello\n",6);
         printf("usage:%s <filename> <offset> <length>\n",argv[0]);
         return 1;
     }
     char *filename = argv[1];//1)指定文件
     printf("the file to be mapped is:%s\n",filename);
     int fd = open(filename,O_RDONLY);

     int offset = atoi(argv[2]);//2)指定映射起始地址(页面的整数倍)
     printf("start offset of file to be mapped is:%d\n",offset);
     printf("page size is:%ld\n",sysconf(_SC_PAGE_SIZE));
     int realOffset = offset & ~(sysconf(_SC_PAGE_SIZE) - 1);//转换成页面的整数倍
     printf("real start offset of file to be mapped is:%d\n",realOffset);

     int length = atoi(argv[3]);//3)指定映射长度
     printf("the length to be map is:%d\n",length);
     int realLen = length+offset-realOffset;//实际写入的字节数
     printf("the real length to be map is:%d\n",realLen);

     //mmap的参数分别是：
     //NULL,让内核自己选择映射的地址;realLen指定映射的长度；
     //PROT_READ只读；MAP_PRIVATE不和其他的进程之间共享映射区域,数据也不写入对应的文件中；
     //realOffset映射文件的起始地址(页面的整数倍)。
     char *addr = mmap(NULL, realLen,PROT_READ,MAP_PRIVATE,fd,realOffset);//4)开始映射

     //关闭打开的文件，实际程序退出的时候会自动关闭。
     //关闭文件之后，相应的映射内存仍旧存在,映射的内存用munmap关闭。
     close(fd);
     //write的参数分别是：
     //STDOUT_FILENO:文件描述符号（这里是标准输出）
     //addr,将要写入文件的内容的地址
     //realLen,写入的长度,长度以addr作为起始地址
     write(STDOUT_FILENO,addr,realLen);//将映射的内容写到标准输出
     munmap(addr,realLen);//5)关闭映射的内存
     //write(STDOUT_FILENO,addr,realLen);//不能使用了
     printf("\n");
 }

二、mmap实现
驱动中有对mmap的具体实现。用户调用mmap系统调用函数之后，最终会调用到驱动中的mmap函数接口。下面是一个例子：
static int commdrv_mmap(struct file* file, struct vm_area_struct* vma)
{
    long phy_addr;
    unsigned long offset;
    unsigned long size;
    vma->vm_page_prot = pgprot_noncached(vma->vm_page_prot);
    vma->vm_flags |= VM_LOCKED;
    offset = vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT;/*XXX assume is 12*/
    size = vma->vm_end - vma->vm_start;
    if(BUF0_OFF == offset) {
        phy_addr = PHYS_BASE0;
    } else if(BUF1_OFF == offset) {
        phy_addr = PHYS_BASE1;
    } else if(START_OFF == offset) {
        phy_addr = PHYS_BASE;
    } else {
        return -ENXIO;
    }
    /*phy_addr must be 4k *n*/
    if(remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, phy_addr >> PAGE_SHIFT, size, vma->vm_page_prot)) {
        return -ENXIO;
    }
    return 0;
}
对于以上代码，
"vma->vm_page_prot = pgprot_noncached(vma->vm_page_prot);"表示要映射的内存是非cached的，这样不会存在缓存中的数据和实际数据不一致的情况，但是速度会比cached的要慢。
offset表示要映射的数据的偏移，这个偏移量来自用户空间的mmap调用，用户空间传入的偏移在这里进行判断，虽然一般的文件就将这个偏移量做为文件偏移了，其实这个offset的含义，由驱动自己解释，不一定就是字节偏移，驱动根据这个偏移量来决定映射哪块内存，
size表示要映射的内存的大小。
"remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, phy_addr >> PAGE_SHIFT, size, vma->vm_page_prot)"表示将根据被映射的物理地址，以及虚拟起始地址，和大小等信息，将相应的部分映射到用户空间。其中参数vma直接来自commdrv_mmap函数的参数，phy_addr是要映射的设备的物理地址(必须是页对齐的)，只有少量的信息自己设置，大多来自外部。最后映射的地址，通过用户调用的mmap函数返回，用户可以直接操作。

三、mmap优点
mmap实现了将设备驱动在内核空间的部分地址直接映射到用户空间，使得用户程序可以直接访问和操作相应的内容。减少了额外的拷贝，而一般的read，write函数虽然表面上直接向设备写入，其实还需要进行一次拷贝。
例如，下面是某个设备驱动中的的write实现，当外面用户程序调用write系统调用向相应设备文件写之后，最终会进入到这个函数进行真正的读取所需操作。
static ssize_t commdrv_write(struct file* filp, char __user* buf,
        size_t count, loff_t* ppos)
{
    char* wbuf;
    wbuf = (char*)vmalloc(count);
    if(!wbuf) {
        return 0;
    }
    ret = copy_from_user(wbuf, (char __user*)buf, count);
    if(0 != ret) {
        vfree(wbuf);
        return 0;
    }
    .....do others things with wbuf......
    vfree(wbuf);
    return count;
}
由上面的代码可知，用户传入的数据指针buf，在驱动中（也就是内核空间）不能直接访问，必须使用copy_from_user将其拷贝到内核空间的一块内存，然后才能进行后续的操作（内核中不能不经过copy_from_user，直接访问用户传下来的指针buf的地址的内容）。而mmap，使得将内核空间直接映射到了用户空间，让用户空间通过返回的指针直接访问，这样内核和用户空间直接操作同样的内存。也就是说，如果不使用mmap，那么由于在内核空间的代码，和外面用户空间的代码对应的地址空间不同，这样内核空间和用户空间不能互相访问其指针；如果想要访问，对方指针的内容，那么只能通过copy_from_user之类的函数先将其数据拷贝到内核空间（相应的read一般使用copy_to_user可以将内核空间内的指针数据拷贝给用户空间的指针所指）再访问。除非直接将内存映射，否则一定要拷贝才能访问用户空间数据。

作者：QuietHeart
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日期：2012年1月31日