Linux内存映射（mmap）

转自：http://blog.youkuaiyun.com/hudashi/article/details/7605165

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

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

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 

1 #include <linux/miscdevice.h>

2 #include <linux/delay.h>

3 #include <linux/kernel.h>

4 #include <linux/module.h>

5 #include <linux/init.h>

6 #include <linux/mm.h>

7 #include <linux/fs.h>

8 #include <linux/types.h>

9 #include <linux/delay.h>

10 #include <linux/moduleparam.h>

11 #include <linux/slab.h>

12 #include <linux/errno.h>

13 #include <linux/ioctl.h>

14 #include <linux/cdev.h>

15 #include <linux/string.h>

16 #include <linux/list.h>

17 #include <linux/pci.h>

18 #include <linux/gpio.h>

19

20

21 #define DEVICE_NAME "mymap"

22

23

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

25 static unsigned char * buffer ;

26

27

28 static int my_open ( struct inode * inode , struct file * file )

29 {

30 return 0 ;

31 }

32

33

34 static int my_map ( struct file * filp , struct vm_area_struct * vma )

35 {

36 unsigned long page ;

37 unsigned char i ;

38 unsigned long start = ( unsigned long ) vma -> vm_start ;

39 //unsigned long end = (unsigned long)vma->vm_end;

40 unsigned long size = (unsigned long)(vma->vm_end - vma->vm_start);

41

42 //得到物理地址

43 page = virt_to_phys(buffer);

44 //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

45 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

46 return -1;

47

48 //往该内存写10字节数据

49 for(i=0;i<10;i++)

50 buffer[i] = array[i];

51

52 return 0;

53 }

54

55

56 static struct file_operations dev_fops = {

57 .owner = THIS_MODULE,

58 .open = my_open,

59 .mmap = my_map,

60 };

61

62 static struct miscdevice misc = {

63 .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,

64 .name = DEVICE_NAME,

65 .fops = &dev_fops,

66 };

67

68

69 static int __init dev_init(void)

70 {

71 int ret;

72

73 //注册混杂设备

74 ret = misc_register(&misc);

75 //内存分配

76 buffer = (unsigned char *)kmalloc(PAGE_SIZE,GFP_KERNEL);

77 //将该段内存设置为保留

78 SetPageReserved(virt_to_page(buffer));

79

80 return ret;

81 }

82

83

84 static void __exit dev_exit(void)

85 {

86 //注销设备

87 misc_deregister(&misc);

88 //清除保留

89 ClearPageReserved(virt_to_page(buffer));

90 //释放内存

91 kfree(buffer);

92 }

93

94

95 module_init(dev_init);

96 module_exit(dev_exit);

97 MODULE_LICENSE("GPL");

98 MODULE_AUTHOR(LKN@SCUT);

 

应用程序：

1 #include <unistd.h>

2 #include <stdio.h>

3 #include <stdlib.h>

4 #include <string.h>

5 #include <fcntl.h>

6 #include <linux/fb.h>

7 #include <sys/mman.h>

8 #include <sys/ioctl.h>

9     

10 #define PAGE_SIZE 4096

11

12

13 int main ( int argc , char * argv [])

14 {

15      int fd ;

16      int i ;

17      unsigned char * p_map ;

18     

19      //打开设备

20     fd = open("/dev/mymap",O_RDWR);

21     if(fd < 0)

22     {

23         printf("open fail\n");

24         exit(1);

25     }

26

27     //内存映射

28     p_map = (unsigned char *)mmap(0, PAGE_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED,fd, 0);

29     if(p_map == MAP_FAILED)

30     {

31         printf("mmap fail\n");

32         goto here;

33     } 

34

35     //打印映射后的内存中的前10个字节内容

36     for(i=0;i<10;i++)

37         printf("%d\n",p_map[i]);

38    

39

40 here:

41     munmap(p_map, PAGE_SIZE);

42     return 0;

43 }

先加载驱动后执行应用程序，用户空间打印如下：

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

结束