关于mmap（）函数的用户和驱动的一点总结

news/2024/7/20 15:58:59 标签: 内存管理
前言： 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：

用户空间：

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

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  1. 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 

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  1. 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

驱动空间：

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：

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  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");   

应用程序例子：
#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; 
} 


http://www.niftyadmin.cn/n/1736491.html

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