linux中mmap系统调用原理分析与实现

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（<linux/mm_types.h>）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 <linux/module.h>

#include <linux/types.h>

#include <linux/fs.h>

#include <linux/errno.h>

#include <linux/mm.h>

#include <linux/sched.h>

#include <linux/init.h>

#include <linux/cdev.h>

#include <asm/io.h>

#include <asm/system.h>

#include <asm/uaccess.h>

#include <linux/kernel.h>

#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[i].size = MEMDEV_SIZE;

mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);

memset(mem_devp[i].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 <stdio.h>

#include<sys/types.h>

#include<sys/stat.h>

#include<fcntl.h>

#include<unistd.h>

#include<sys/mman.h>

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;

}