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Linux内存映射(mmap)  

2012-05-06 13:09:51|  分类: Linux内核 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文编辑整理自:http://www.2cto.com/os/201204/129464.html
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
Linux内存映射(mmap)简析 - hubingforever - 民主与科学
 
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NULLNULL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

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