Linux 内存映射函数 mmap（）函数详解

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：

#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/moduleparam.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/ioctl.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/list.h>
#include <linux/pci.h>
#include <linux/gpio.h>

#define DEVICE_NAME "mymap"

static unsigned char array[10]={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
static unsigned char *buffer;

static int my_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
return 0;
}

static int my_map(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
{
unsigned long page;
unsigned char i;
unsigned long start = (unsigned long)vma->vm_start;
//unsigned long end =  (unsigned long)vma->vm_end;
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;

//往该内存写10字节数据
for(i=0;i<10;i++)
buffer[i] = array[i];

return 0;
}

static struct file_operations dev_fops = {
.owner    = THIS_MODULE,
.open    = my_open,
.mmap   = my_map,
};

static struct miscdevice misc = {
.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
.name = DEVICE_NAME,
.fops = &dev_fops,
};

static int __init dev_init(void)
{
int ret;

//注册混杂设备
ret = misc_register(&misc);
//内存分配
buffer = (unsigned char *)kmalloc(PAGE_SIZE,GFP_KERNEL);
//将该段内存设置为保留
SetPageReserved(virt_to_page(buffer));

return ret;
}

static void __exit dev_exit(void)
{
//注销设备
misc_deregister(&misc);
//清除保留
ClearPageReserved(virt_to_page(buffer));
//释放内存
kfree(buffer);
}

module_init(dev_init);
module_exit(dev_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("LKN@SCUT");

应用程序：

#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;
}

先加载驱动后执行应用程序，用户空间打印如下：