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【Linux】mmap分析

news 2025/6/29 11:50:11

简介

平时我们写Linux驱动和用户空间交互时，都是使用read或者write函数接口，并且在函数内使用copy_to_user或者copy_from_user。因为用户空间是不能直接访问内核空间数据的，只能先将数据拷贝过来，然后再操作。如果用户空间需要传几MB的数据给内核，那么原来的拷贝方式显然效率比较低，这个时候就需要使用mmap操作，简单来说就是让一块物理内存拥有两份映射，即拥有两个虚拟地址，一个在内核空间，一个在用户空间，这样用户空间和内核空间就可以访问同一块内存了。关系如下

在这里插入图片描述

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，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或write操作。

函数接口

// include<sys/mman.h>
//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。
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
int munmap(void *addr, size_t length);

  • 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），匿名映射时设为-1。

  • 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。

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。

vma：用户虚拟内存区域，由内核自动填充。
addr：用户空间中内存映射的起始地址。
pfn：要映射的内核内存的起始页帧号，是物理地址右移PAGE_SHIFT位得到的。
size：映射的内存大小。
prot：页表项的保护属性int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma,unsigned long addr,unsigned long pfn,unsigned long size,pgprot_t prot);

示例

驱动层代码示例

#include "haptic_misc.h"
#include <linux/init.h>  
#include <linux/module.h>   
#include <linux/fs.h>
#include <linux/sysfs.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/gfp.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/miscdevice.h>#define HAPTICS_MISC_DEV_NAME  "haptics"#define BUFF_SIZE (10) 
static unsigned char * buffer=NULL;//打开设备
static int haptics_open(struct inode* inode,struct file * filp)
{pr_info("%s\n",__FUNCTION__);return 0;
}//关闭设备
static int haptics_release(struct inode* inode ,struct file* filp)
{pr_info("%s\n",__FUNCTION__);return 0;
}//读设备
static ssize_t haptics_read(struct file* filp, char __user *buf,size_t count,loff_t* ppos)
{int ret;	int tmp = count ;if (tmp > BUFF_SIZE)tmp = BUFF_SIZE;ret = copy_to_user(buf, buffer, tmp);return tmp;
}//写设备
static ssize_t haptics_write(struct file* filp,const char __user *buf,size_t count,loff_t* ppos)
{int ret;int tmp = count ;if (tmp > BUFF_SIZE )tmp = BUFF_SIZE ;memset(buffer,0,BUFF_SIZE);ret = copy_from_user(buffer, buf, tmp);return tmp;
}static int haptics_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)
{unsigned long page;unsigned long start = (unsigned long)vma->vm_start;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;return 0;
}static struct file_operations haptics_fops=
{.owner = THIS_MODULE,.open = haptics_open,.release = haptics_release,.read = haptics_read,.write = haptics_write,.mmap = haptics_mmap,
};static struct miscdevice mdev =
{.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,.name = HAPTICS_MISC_DEV_NAME,.fops = &haptics_fops,
};//定义一个杂项设备结构体int register_misc_dev(void)
{int ret = 0;ret = misc_register(&mdev);if(0 == ret){pr_info("misc_register ok minor=%d\n",mdev.minor);}buffer = kzalloc(PAGE_SIZE,GFP_KERNEL);memcpy(buffer,"i am .....",BUFF_SIZE);return ret;
}int deregister_misc_dev(void)
{misc_deregister(&mdev);kfree(buffer);pr_info("%s\n",__FUNCTION__);return 0;
}

应用层代码示例

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include "haptics_ioctl.h"
/*
argc:应用程序参数个数，包括应用程序本身
argv[]:具体的参数内容，字符串形式
./main <filename> <r:w> r表示读 w表示写
*/
#define PAGE_SIZE 4096
static char msg[10]="abcdefghjk";
int main(int argc,char * argv[])
{char* filename;int fd=0;if(argc!=3){printf("error usage\n");return -1;}filename=argv[1];fd = open(filename,O_RDWR);if(fd<0){printf("can not open file %s\n",filename);return -2;}char* addr = mmap(0, PAGE_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED,fd, 0);if(0 == strcmp(argv[2],"r"))//设备文件测试读接口{char buf[10]={0};read(fd,buf,10);printf("read %s\n", buf);}else if(0 == strcmp(argv[2],"w"))//设备文件测试写接口{char buf[10]={0};memcpy(buf,msg,10);write(fd,buf,10);printf("read %s\n", addr);}else//普通文件测试接口{printf("read %s\n", addr);char msg[128] = "hello i am new kernel driver......hahaha";memcpy(addr,msg,128);}close(fd);
}
mmap设备文件示例
root@RK3588:/bin# ./main /dev/haptics r
[  101.150745] haptics_open
read i am .....!
[  101.151100] haptics_release
root@RK3588:/bin# ./main /dev/haptics w
[  104.609699] haptics_open
read abcdefghjk
[  104.610043] haptics_release
mmap普通文件示例
root@RK3588:/bin# vi test
root@RK3588:/bin# ./main test 1
read i am kernel driver.....hahaharoot@RK3588:/bin# cat test
hello i am new kernel driver..root@RK3588:/bin#

总结

  1. 映射内存大小的基本单位的是页，也就是PAGE_SIZE的整数倍。
  2. 我们一般会先申请一块连续的、大小是PAGE_SIZE的整数倍的虚拟内存，但是有的文档上写着需要SetPageReserved，这个地方还需要继续深入。。。。。。
  3. 对于普通文件映射时，修改内存内容后，是否不会立即更新到文件中，而是有一段延时，需要调用msync函数来显示同步。这个地方也还没有验证。。。。。。
  4. 对于设备文件映射时，如果应用层修改了映射内存的内容，驱动层好像是没有通知之类的东西去知道的。这里一般的做法是，在映射内存中定义一个flag，驱动层可以去轮询检查flag的值，就知道映射内存是否有更新了。
http://www.lqws.cn/news/558901.html

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