Linux内存映射（mmap）
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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
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