linux中mmap系统调用原理分析与实现

踏雪寻梅

　　1、mmap系统调用（功能）
      void* mmap ( void * addr , size_t len , int prot , int flags ,int fd , off_t offset )
      内存映射函数mmap, 负责把文件内容映射到进程的虚拟内存空间, 通过对这段内存的读取和修改，来实现对文件的读取和修改,而不需要再调用read，write等操作。

　　2、mmap系统调用（参数）
      1）addr： 指定映射的起始地址, 通常设为NULL, 由系统指定。
      2）length: 映射到内存的文件长度。
      3） prot：   映射区的保护方式, 可以是:
             PROT_EXEC: 映射区可被执行
             PROT_READ: 映射区可被读取
             PROT_WRITE: 映射区可被写入
　　      4）flags: 映射区的特性, 可以是:
            MAP_SHARED:写入映射区的数据会复制回文件, 且允许其他映射该文件的进程共享。
            MAP_PRIVATE:对映射区的写入操作会产生一个映射区的复制(copy-on-write), 对此区域所做的修改不会写回原文件。
　　      5）fd: 由open返回的文件描述符, 代表要映射的文件。
      6）offset: 以文件开始处的偏移量, 必须是分页大小的整数倍, 通常为0, 表示从文件头开始映射。
　　3、解除映射
      int munmap(void *start,size_t length)
     功能：取消参数start所指向的映射内存，参数length表示欲取消的内存大小。
    返回值：解除成功返回0，否则返回－1，错误原因存于errno中。
　　实例分析
mmap系统调用
　　4、虚拟内存区域
      虚拟内存区域是进程的虚拟地址空间中的一个同质区间，即具有同样特性的连续地址范围。一个进程的内存映象由下面几部分组成：程序代码、数据、BSS
和栈区域，以及内存映射的区域。

　　 一个进程的内存区域可以通过查看：/proc/pid/maps
08048000-0804f000 r-xp 00000000 08:01 573748 /sbin/rpc.statd #text
0804f000-08050000 rw-p 00007000 08:01 573748 /sbin/rpc.statd #data
08050000-08055000 rwxp 00000000 00:00 0 #bss
040000000-40015000 r-xp 00000000 08:01 933965 /lib/ld2.3.2.so #text
40015000-40016000 rw-p 00014000 08:01 933965 /lib/ld-2.3.2.so #data

　　       每一行的域为：start_end perm offset major:minor inode
       1） Start: 该区域起始虚拟地址
       2） End: 该区域结束虚拟地址
       3） Perm: 读、写和执行权限；表示对这个区域，允许进程做什么。这个域的最后一个字符要么是p表示私有的，要么是s表示共享的。
       4） Offset: 被映射部分在文件中的起始地址
       5） Major、minor：主次设备号
       6） Inode：索引结点
　　5、vm_area_struct
      Linux内核使用结构vm_area_struct（）来描述虚拟内存区域，其中几个主要成员如下：
     1）unsigned long vm_start   虚拟内存区域起始地址
     2）unsigned long vm_end    虚拟内存区域结束地址
　　     3）unsigned long vm_flags  该区域的标记。如:VM_IO和VM_RESERVED。VM_IO将该VMA标记为内存映射的IO区域，VM_IO会阻止系统将该区域包含在进程的存放转
存(core dump )中，VM_RESERVED标志内存区域不能被换出。
　　6、mmap设备操作
      映射一个设备是指把用户空间的一段地址关联到设备内存上。当程序读写这段用户空间的地址时，它实际上是在访问设备。
　　      mmap设备方法需要完成什么功能？
      mmap方法是file_oprations结构的成员，在mmap系统调用发出时被调用。在此之前，内核已经完成了很多工作。mmap设备方法所需要做的就是建立
虚拟地址到物理地址的页表。
      int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *)
　　      mmap如何完成页表的建立？
     方法有二：
     1）使用remap_pfn_range一次建立所有页表;
     2）使用nopage VMA方法每次建立一个页表。
　　     构造页表的工作可由remap_pfn_range函数完成，原型如下：
     int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long addr,unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t prot)
　　     vma:           虚拟内存区域指针
     virt_addr:   虚拟地址的起始值
     pfn:             要映射的物理地址所在的物理页帧号，可将物理地址>>PAGE_SHIFT得到。
     size:           要映射的区域的大小。
     prot:            VMA的保护属性。

int memdev_mmap(struct file*filp, struct vm_area_struct *vma)
{
Vma->vm_flags |= VM_IO;
Vma->vm_flags |= VM_RESERVED;
if (remap_pfn_range(vma, vma->vm_start,
virt_to_phys(dev- >data)>> PAGE_SHIFT,
size,
vma->vm_page_prot))
return -EAGAIN;
return 0;
}

　　7、mmap设备方法实例
       1）memdev.源码

　　#ifndef _MEMDEV_H_
#define _MEMDEV_H_
　　#ifndef MEMDEV_MAJOR
#define MEMDEV_MAJOR 0   /*预设的mem的主设备号*/
#endif
　　#ifndef MEMDEV_NR_DEVS
#define MEMDEV_NR_DEVS 2    /*设备数*/
#endif
　　#ifndef MEMDEV_SIZE
#define MEMDEV_SIZE 4096
#endif
　　/*mem设备描述结构体*/
struct mem_dev                                    
{                                                        
  char *data;                     
  unsigned long size;      
};
　　#endif /* _MEMDEV_H_ */

　　       2）memdev.c源码

　　#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
　　#include
#include "memdev.h"
　　static int mem_major = MEMDEV_MAJOR;
　　module_param(mem_major, int, S_IRUGO);
　　struct mem_dev *mem_devp; /*设备结构体指针*/
　　struct cdev cdev;
　　/*文件打开函数*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    struct mem_dev *dev;
   
    /*获取次设备号*/
    int num = MINOR(inode->i_rdev);
　　    if (num >= MEMDEV_NR_DEVS)
            return -ENODEV;
    dev = &mem_devp[num];
   
    /*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/
    filp->private_data = dev;
   
    return 0;
}
　　/*文件释放函数*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
  return 0;
}
static int memdev_mmap(struct file*filp, struct vm_area_struct *vma)
{
      struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
      
      vma->vm_flags |= VM_IO;
      vma->vm_flags |= VM_RESERVED;
　　     
      if (remap_pfn_range(vma,vma->vm_start,virt_to_phys(dev->data)>>PAGE_SHIFT, vma->vm_end - vma->vm_start, vma->vm_page_prot))
          return  -EAGAIN;
               
      return 0;
}
　　/*文件操作结构体*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
  .owner = THIS_MODULE,
  .open = mem_open,
  .release = mem_release,
  .mmap = memdev_mmap,
};
　　/*设备驱动模块加载函数*/
static int memdev_init(void)
{
  int result;
  int i;
　　  dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0);
　　  /* 静态申请设备号*/
  if (mem_major)
    result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev");
  else  /* 动态分配设备号 */
  {
    result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
    mem_major = MAJOR(devno);
  }  
  
  if (result < 0)
    return result;
　　  /*初始化cdev结构*/
  cdev_init(&cdev, &mem_fops);
  cdev.owner = THIS_MODULE;
  cdev.ops = &mem_fops;
  
  /* 注册字符设备 */
  cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);
   
  /* 为设备描述结构分配内存*/
  mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);
  if (!mem_devp)    /*申请失败*/
  {
    result =  - ENOMEM;
    goto fail_malloc;
  }
  memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));
  
  /*为设备分配内存*/
  for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++)
  {
        mem_devp.size = MEMDEV_SIZE;
        mem_devp.data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);
        memset(mem_devp.data, 0, MEMDEV_SIZE);
  }
   
  return 0;
　　  fail_malloc:
  unregister_chrdev_region(devno, 1);
  
  return result;
}
　　/*模块卸载函数*/
static void memdev_exit(void)
{
  cdev_del(&cdev);   /*注销设备*/
  kfree(mem_devp);     /*释放设备结构体内存*/
  unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/
}
　　MODULE_AUTHOR("yinjiabin);
MODULE_LICENSE("GPL");
　　module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);
　　
　　3）测试程序源码
　　#include
#include
#include
#include
#include
#include
　　int main()
{
int fd;
char *start;
//char buf[100];
char *buf;

/*打开文件*/
fd = open("/dev/memdev0",O_RDWR);
        
buf = (char *)malloc(100);
memset(buf, 0, 100);
start=mmap(NULL,100,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);

/* 读出数据 */
strcpy(buf,start);
sleep (1);
printf("buf 1 = %s\n",buf);
　　 /* 写入数据 */
strcpy(start,"Buf Is Not Null!");

memset(buf, 0, 100);
strcpy(buf,start);
sleep (1);
printf("buf 2 = %s\n",buf);
　　      
munmap(start,100); /*解除映射*/
free(buf);
close(fd);  
return 0;
}