Linux内存管理之mmap详解

一、概述

          内存映射，简而言之就是将用户空间的一段内存区域映射到内核空间，映射成功后，用户对这段内存区域的修改可以直接反映到内核空间，同样，内核空间对这段区域的修改也直接反映用户空间。那么对于内核空间<---->用户空间两者之间需要大量数据传输等操作的话效率是非常高的。

以下是一个把普遍文件映射到用户空间的内存区域的示意图。

图一：

二、基本函数

    mmap函数是unix/linux下的系统调用，详细内容可参考《Unix Netword programming》卷二12.2节。

mmap系统调用并不是完全为了用于共享内存而设计的。它本身提供了不同于一般对普通文件的访问方式，进程可以像读写内存一样对普通文件的操作。而Posix或系统V的共享内存IPC则纯粹用于共享目的，当然mmap()实现共享内存也是其主要应用之一。

          mmap系统调用使得进程之间通过映射同一个普通文件实现共享内存。普通文件被映射到进程地址空间后，进程可以像访问普通内存一样对文件进行访问，不必再调用read()，write（）等操作。mmap并不分配空间, 只是将文件映射到调用进程的地址空间里（但是会占掉你的 virutal memory）, 然后你就可以用memcpy等操作写文件, 而不用write()了.写完后，内存中的内容并不会立即更新到文件中，而是有一段时间的延迟，你可以调用msync()来显式同步一下, 这样你所写的内容就能立即保存到文件里了.这点应该和驱动相关。 不过通过mmap来写文件这种方式没办法增加文件的长度, 因为要映射的长度在调用mmap()的时候就决定了.如果想取消内存映射，可以调用munmap()来取消内存映射

 <span style="background-color: rgb(255, 255, 255);">void * mmap(void *start, size_t length, int prot , int flags, int fd, off_t offset)</span>

mmap用于把文件映射到内存空间中，简单说mmap就是把一个文件的内容在内存里面做一个映像。映射成功后，用户对这段内存区域的修改可以直接反映到内核空间，同样，内核空间对这段区域的修改也直接反映用户空间。那么对于内核空间<---->用户空间两者之间需要大量数据传输等操作的话效率是非常高的。

 start：要映射到的内存区域的起始地址，通常都是用NULL（NULL即为0）。NULL表示由内核来指定该内存地址

 length：要映射的内存区域的大小

 prot：期望的内存保护标志，不能与文件的打开模式冲突。是以下的某个值，可以通过or运算合理地组合在一起
 PROT_EXEC //页内容可以被执行
 PROT_READ  //页内容可以被读取
 PROT_WRITE //页可以被写入
 PROT_NONE  //页不可访问

 flags：指定映射对象的类型，映射选项和映射页是否可以共享。它的值可以是一个或者多个以下位的组合体
 MAP_FIXED ：使用指定的映射起始地址，如果由start和len参数指定的内存区重叠于现存的映射空间，重叠部分将会被丢弃。如果指定的起始地址不可用，操作将会失败。并且起始地址必须落在页的边界上。
 MAP_SHARED ：对映射区域的写入数据会复制回文件内, 而且允许其他映射该文件的进程共享。
 MAP_PRIVATE ：建立一个写入时拷贝的私有映射。内存区域的写入不会影响到原文件。这个标志和以上标志是互斥的，只能使用其中一个。
 MAP_DENYWRITE ：这个标志被忽略。
 MAP_EXECUTABLE ：同上
 MAP_NORESERVE ：不要为这个映射保留交换空间。当交换空间被保留，对映射区修改的可能会得到保证。当交换空间不被保留，同时内存不足，对映射区的修改会引起段违例信号。
 MAP_LOCKED ：锁定映射区的页面，从而防止页面被交换出内存。
 MAP_GROWSDOWN ：用于堆栈，告诉内核VM系统，映射区可以向下扩展。
 MAP_ANONYMOUS ：匿名映射，映射区不与任何文件关联。
 MAP_ANON ：MAP_ANONYMOUS的别称，不再被使用。
 MAP_FILE ：兼容标志，被忽略。
 MAP_32BIT ：将映射区放在进程地址空间的低2GB，MAP_FIXED指定时会被忽略。当前这个标志只在x86-64平台上得到支持。
 MAP_POPULATE ：为文件映射通过预读的方式准备好页表。随后对映射区的访问不会被页违例阻塞。
 MAP_NONBLOCK ：仅和MAP_POPULATE一起使用时才有意义。不执行预读，只为已存在于内存中的页面建立页表入口。

 fd：文件描述符（由open函数返回）

 offset：表示被映射对象（即文件）从那里开始对映，通常都是用0。 该值应该为大小为PAGE_SIZE的整数倍

返回说明  

成功执行时，mmap()返回被映射区的指针，munmap()返回0。失败时，mmap()返回MAP_FAILED[其值为(void *)-1]，munmap返回-1。errno被设为以下的某个值   

 EACCES：访问出错
 EAGAIN：文件已被锁定，或者太多的内存已被锁定
 EBADF：fd不是有效的文件描述词
 EINVAL：一个或者多个参数无效
 ENFILE：已达到系统对打开文件的限制
 ENODEV：指定文件所在的文件系统不支持内存映射
 ENOMEM：内存不足，或者进程已超出最大内存映射数量
 EPERM：权能不足，操作不允许
 ETXTBSY：已写的方式打开文件，同时指定MAP_DENYWRITE标志
 SIGSEGV：试着向只读区写入
 SIGBUS：试着访问不属于进程的内存区

 int munmap(void *start, size_t length)

 start：要取消映射的内存区域的起始地址

 length：要取消映射的内存区域的大小。

返回说明  

成功执行时munmap()返回0。失败时munmap返回-1.

 int msync(const void *start, size_t length, int flags);

对映射内存的内容的更改并不会立即更新到文件中，而是有一段时间的延迟，你可以调用msync()来显式同步一下, 这样你内存的更新就能立即保存到文件里

 start：要进行同步的映射的内存区域的起始地址。
 length：要同步的内存区域的大小
 flag:flags可以为以下三个值之一：
 MS_ASYNC : 请Kernel快将资料写入。
 MS_SYNC : 在msync结束返回前，将资料写入。
 MS_INVALIDATE : 让核心自行决定是否写入，仅在特殊状况下使用

三、用户空间和驱动程序的内存映射

3.1、基本过程

  首先，驱动程序先分配好一段内存，接着用户进程通过库函数mmap()来告诉内核要将多大的内存映射到内核空间，内核经过一系列函数调用后调用对应的驱动程序的file_operation中指定的mmap函数，在该函数中调用remap_pfn_range()来建立映射关系。

3.2、映射的实现

 首先在驱动程序分配一页大小的内存，然后用户进程通过mmap()将用户空间中大小也为一页的内存映射到内核空间这页内存上。映射完成后，驱动程序往这段内存写10个字节数据，用户进程将这些数据显示出来。

驱动程序：

 #include <linux/miscdevice.h>
  #include <linux/delay.h>
  #include <linux/kernel.h>
  #include <linux/module.h>
  #include <linux/init.h>
  #include <linux/mm.h>
  #include <linux/fs.h>
  #include <linux/types.h>
  #include <linux/delay.h>
  #include <linux/moduleparam.h>
  #include <linux/slab.h>
  #include <linux/errno.h>
  #include <linux/ioctl.h>
  #include <linux/cdev.h>
  #include <linux/string.h>
  #include <linux/list.h>
  #include <linux/pci.h>
  #include <linux/gpio.h>


  #define DEVICE_NAME "mymap"


  static unsigned char array[10]={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
  static unsigned char *buffer;


  static int my_open(struct inode *inode, struct file *file)
  {
      return 0;
  }


  static int my_map(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
  {
      unsigned long page;
      unsigned char i;
      unsigned long start = (unsigned long)vma->vm_start;
      //unsigned long end =  (unsigned long)vma->vm_end;
      unsigned long size = (unsigned long)(vma->vm_end - vma->vm_start);

      //得到物理地址
      page = virt_to_phys(buffer);
      //将用户空间的一个vma虚拟内存区映射到以page开始的一段连续物理页面上
      if(remap_pfn_range(vma,start,page>>PAGE_SHIFT,size,PAGE_SHARED))//第三个参数是页帧号，由物理地址右移PAGE_SHIFT得到
          return -1;

      //往该内存写10字节数据
      for(i=0;i<10;i++)
          buffer[i] = array[i];

      return 0;
  }


  static struct file_operations dev_fops = {
      .owner    = THIS_MODULE,
      .open    = my_open,
      .mmap   = my_map,
  };

  static struct miscdevice misc = {
      .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
      .name = DEVICE_NAME,
      .fops = &dev_fops,
  };


  static int __init dev_init(void)
  {
      int ret;

      //注册混杂设备
      ret = misc_register(&misc);
      //内存分配
      buffer = (unsigned char *)kmalloc(PAGE_SIZE,GFP_KERNEL);
      //将该段内存设置为保留
      SetPageReserved(virt_to_page(buffer));

      return ret;
  }


  static void __exit dev_exit(void)
  {
      //注销设备
      misc_deregister(&misc);
      //清除保留
      ClearPageReserved(virt_to_page(buffer));
      //释放内存
      kfree(buffer);
  }


  module_init(dev_init);
  module_exit(dev_exit);
  MODULE_LICENSE("GPL");
  MODULE_AUTHOR("LKN@SCUT");

应用程序：

 #include <unistd.h>
  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <string.h>
  #include <fcntl.h>
  #include <linux/fb.h>
  #include <sys/mman.h>
  #include <sys/ioctl.h>

  #define PAGE_SIZE 4096


  int main(int argc , char *argv[])
  {
      int fd;
      int i;
      unsigned char *p_map;

      //打开设备
      fd = open("/dev/mymap",O_RDWR);
      if(fd < 0)
      {
          printf("open fail\n");
          exit(1);
      }

      //内存映射
      p_map = (unsigned char *)mmap(0, PAGE_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED,fd, 0);
      if(p_map == MAP_FAILED)
      {
          printf("mmap fail\n");
          goto here;
      }

      //打印映射后的内存中的前10个字节内容
      for(i=0;i<10;i++)
          printf("%d\n",p_map[i]);


  here:
      munmap(p_map, PAGE_SIZE);
      return 0;
  }

先加载驱动后执行应用程序，用户空间打印如下：