Linux内核mmap内存映射详解及例子实现

mmap在linux哪里？

什么是mmap？

上图说了，mmap是操作这些设备的一种方法，所谓操作设备，比如IO端口（点亮一个LED）、LCD控制器、磁盘控制器，实际上就是往设备的物理地址读写数据。

但是，由于应用程序不能直接操作设备硬件地址，所以操作系统提供了这样的一种机制------内存映射，把设备地址映射到进程虚拟地址，mmap就是实现内存映射的接口。

操作设备还有很多方法，如ioctl、ioremap

mmap的好处是，mmap把设备内存映射到虚拟内存，则用户操作虚拟内存相当于直接操作设备了，省去了用户空间到内核空间的复制过程，相对IO操作来说，增加了数据的吞吐量。

什么是内存映射？

既然mmap是实现内存映射的接口，那么内存映射是什么呢？看下图

每个进程都有独立的进程地址空间，通过页表和MMU，可将虚拟地址转换为物理地址，每个进程都有独立的页表数据，这可解释为什么两个不同进程相同的虚拟地址，却对应不同的物理地址。

什么是虚拟地址空间？

每个进程都有4G的虚拟地址空间，其中3G用户空间，1G内核空间（linux），每个进程共享内核空间，独立的用户空间，下图形象地表达了这点

驱动程序运行在内核空间，所以驱动程序是面向所有进程的。

用户空间切换到内核空间有两种方法：

（1）系统调用，即软中断

（2）硬件中断

虚拟地址空间里面是什么？

了解了什么是虚拟地址空间，那么虚拟地址空间里面装的是什么？看下图

虚拟空间装的大概是上面那些数据了，内存映射大概就是把设备地址映射到上图的红色段了，暂且称其为"内存映射段"，至于映射到哪个地址，是由操作系统分配的，操作系统会把进程空间划分为三个部分：

（1）未分配的，即进程还未使用的地址

（2）缓存的，缓存在ram中的页

（3）未缓存的，没有缓存在ram中

操作系统会在未分配的地址空间分配一段虚拟地址，用来和设备地址建立映射，至于怎么建立映射，后面再揭晓。

现在大概明白了"内存映射"是什么了，那么内核是怎么管理这些地址空间的呢？任何复杂的理论最终也是通过各种数据结构体现出来的，而这里这个数据结构就是进程描述符。从内核看，进程是分配系统资源（CPU、内存）的载体，为了管理进程，内核必须对每个进程所做的事情进行清楚的描述，这就是进程描述符，内核用task_struct结构体来表示进程，并且维护一个该结构体链表来管理所有进程。该结构体包含一些进程状态、调度信息等上千个成员，我们这里主要关注进程描述符里面的内存描述符（struct mm_struct mm）

内存描述符

具体的结构，请参考下图

现在已经知道了内存映射是把设备地址映射到进程空间地址（注意：并不是所有内存映射都是映射到进程地址空间的，ioremap是映射到内核虚拟空间的，mmap是映射到进程虚拟地址的），实质上是分配了一个vm_area_struct结构体加入到进程的地址空间，也就是说，把设备地址映射到这个结构体，映射过程就是驱动程序要做的事了。

内存映射的实现

以字符设备驱动为例，一般对字符设备的操作都如下框图

而内存映射的主要任务就是实现内核空间中的mmap()函数，先来了解一下字符设备驱动程序的框架

以下是mmap_driver.c的源代码

//所有的模块代码都包含下面两个头文件  
#include <linux/module.h>  
#include <linux/init.h>  
  
#include <linux/types.h> //定义dev_t类型  
#include <linux/cdev.h> //定义struct cdev结构体及相关操作  
#include <linux/slab.h> //定义kmalloc接口  
#include <asm/io.h>//定义virt_to_phys接口  
#include <linux/mm.h>//remap_pfn_range  
#include <linux/fs.h>  
  
#define MAJOR_NUM 990  
#define MM_SIZE 4096  
  
static char driver_name[] = "mmap_driver1";//驱动模块名字  
static int dev_major = MAJOR_NUM;  
static int dev_minor = 0;  
char *buf = NULL;  
struct cdev *cdev = NULL;  
  
static int device_open(struct inode *inode, struct file *file)  
{  
    printk(KERN_ALERT"device open\n");  
    buf = (char *)kmalloc(MM_SIZE, GFP_KERNEL);//内核申请内存只能按页申请，申请该内存以便后面把它当作虚拟设备  
    return 0;  
}  
  
static int device_close(struct inode *indoe, struct file *file)  
{  
    printk("device close\n");  
    if(buf)  
    {  
        kfree(buf);  
    }  
    return 0;  
}  
  
static int device_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)  
{  
    vma->vm_flags |= VM_IO;//表示对设备IO空间的映射  
    vma->vm_flags |= VM_RESERVED;//标志该内存区不能被换出，在设备驱动中虚拟页和物理页的关系应该是长期的，应该保留起来，不能随便被别的虚拟页换出  
    if(remap_pfn_range(vma,//虚拟内存区域，即设备地址将要映射到这里  
                       vma->vm_start,//虚拟空间的起始地址  
                       virt_to_phys(buf)>>PAGE_SHIFT,//与物理内存对应的页帧号，物理地址右移12位  
                       vma->vm_end - vma->vm_start,//映射区域大小，一般是页大小的整数倍  
                       vma->vm_page_prot))//保护属性，  
    {  
        return -EAGAIN;  
    }  
    return 0;  
}  
  
static struct file_operations device_fops =  
{  
    .owner = THIS_MODULE,  
    .open  = device_open,  
    .release = device_close,  
    .mmap = device_mmap,  
};  
  
static int __init char_device_init( void )  
{  
    int result;  
    dev_t dev;//高12位表示主设备号，低20位表示次设备号  
    printk(KERN_ALERT"module init2323\n");  
    printk("dev=%d", dev);  
    dev = MKDEV(dev_major, dev_minor);  
    cdev = cdev_alloc();//为字符设备cdev分配空间  
    printk(KERN_ALERT"module init\n");  
    if(dev_major)  
    {  
        result = register_chrdev_region(dev, 1, driver_name);//静态分配设备号  
        printk("result = %d\n", result);  
    }  
    else  
    {  
        result = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, driver_name);//动态分配设备号  
        dev_major = MAJOR(dev);  
    }  
      
    if(result < 0)  
    {  
        printk(KERN_WARNING"Cant't get major %d\n", dev_major);  
        return result;  
    }  
      
      
    cdev_init(cdev, &device_fops);//初始化字符设备cdev  
    cdev->ops = &device_fops;  
    cdev->owner = THIS_MODULE;  
      
    result = cdev_add(cdev, dev, 1);//向内核注册字符设备  
    printk("dffd = %d\n", result);  
    return 0;  
}  
  
static void __exit char_device_exit( void )  
{  
    printk(KERN_ALERT"module exit\n");  
    cdev_del(cdev);  
    unregister_chrdev_region(MKDEV(dev_major, dev_minor), 1);  
}  
  
module_init(char_device_init);//模块加载  
module_exit(char_device_exit);//模块退出  
  
MODULE_LICENSE("GPL");  
MODULE_AUTHOR("ChenShengfa");

下面是测试代码test_mmap.c

#include <stdio.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <sys/mman.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <string.h>  
  
int main( void )  
{  
    int fd;  
    char *buffer;  
    char *mapBuf;  
    fd = open("/dev/mmap_driver", O_RDWR);//打开设备文件，内核就能获取设备文件的索引节点，填充inode结构  
    if(fd<0)  
    {  
        printf("open device is error,fd = %d\n",fd);  
        return -1;  
    }  
    /*测试一：查看内存映射段*/  
    printf("before mmap\n");  
    sleep(15);//睡眠15秒，查看映射前的内存图cat /proc/pid/maps  
    buffer = (char *)malloc(1024);  
    memset(buffer, 0, 1024);  
    mapBuf = mmap(NULL, 1024, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);//内存映射，会调用驱动的mmap函数  
    printf("after mmap\n");  
    sleep(15);//睡眠15秒，在命令行查看映射后的内存图，如果多出了映射段，说明映射成功  
      
    /*测试二：往映射段读写数据，看是否成功*/  
    strcpy(mapBuf, "Driver Test");//向映射段写数据  
    memset(buffer, 0, 1024);  
    strcpy(buffer, mapBuf);//从映射段读取数据  
    printf("buf = %s\n", buffer);//如果读取出来的数据和写入的数据一致，说明映射段的确成功了  
      
      
    munmap(mapBuf, 1024);//去除映射  
    free(buffer);  
    close(fd);//关闭文件，最终调用驱动的close  
    return 0;  
}

下面是makefile文件

ifneq ($(KERNELRELEASE),)  
  
obj-m := mmap_driver.o  
  
else  
KDIR := /lib/modules/3.2.0-52-generic/build  
  
all:  
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules  
clean:  
    rm -f *.ko *.o *.mod.o *.mod.c *~ *.symvers *.order  
  
endif

下面命令演示一下驱动程序的编译、安装、测试过程（注：其他用户在mknod之后还需要chmod改变权限）

# make    //编译驱动
 
# insmod mmap_driver.ko    //安装驱动
 
# mknod /dev/mmap_driver c 999 0    //创建设备文件
 
# gcc test_mmap.c -o test.o    //编译应用程序
 
# ./test.o    //运行应用程序来测试驱动程序

拓展：

关于这个过程，涉及一些术语

（1）设备文件：linux中对硬件虚拟成设备文件，对普通文件的各种操作均适用于设备文件

（2）索引节点：linux使用索引节点来记录文件信息（如文件长度、创建修改时间），它存储在磁盘中，读入内存后就是一个inode结构体，文件系统维护了一个索引节点的数组，每个元素都和文件或者目录一一对应。

（3）主设备号：如上面的999，表示设备的类型，比如该设备是lcd还是usb等

（4）次设备号：如上面的0，表示该类设备上的不同设备

（5）文件（普通文件或设备文件）的三个结构

①文件操作：struct file_operations

②文件对象：struct file

③文件索引节点：struct inode

关于驱动程序中内存映射的实现，先了解一下open和close的流程

（1）设备驱动open流程

①应用程序调用open("/dev/mmap_driver", O_RDWR);

②Open就会通过VFS找到该设备的索引节点（inode），mknod的时候会根据设备号把驱动程序的file_operations结构填充到索引节点中（关于mknod /dev/mmap_driver c 999 0，这条指令创建了设备文件，在安装驱动（insmod）的时候，会运行驱动程序的初始化程序（module_init），在初始化程序中，会注册它的主设备号到系统中（cdev_add），如果mknod时的主设备号999在系统中不存在，即和注册的主设备号不同，则上面的指令会执行失败，就创建不了设备文件）

③然后根据设备文件的索引节点中的file_operations中的open指针，就调用驱动的open方法了。

④生成一个文件对象files_struct结构，系统维护一个files_struct的链表，表示系统中所有打开的文件

⑤返回文件描述符fd，把fd加入到进程的文件描述符表中

（2）设备驱动close流程

应用程序调用close(fd)，最终可调用驱动的close，为什么根据一个简单的int型fd就可以找到驱动的close函数？这就和上面说的三个结构（struct file_operations、struct file、struct inode）息息相关了，假如fd = 3

（3）设备驱动mmap流程

由open和close得知，同理，应用程序调用mmap最终也会调用到驱动程序中mmap方法

①应用程序test.mmap.c中mmap函数

void* mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

addr：映射后虚拟地址的起始地址，通常为NULL，内核自动分配

length：映射区的大小

prot：页面访问权限（PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_EXEC、PROT_NONE）

flags：参考网络资料

fd：文件描述符

offset：文件映射开始偏移量

②驱动程序的mmap_driver.c中mmap函数

上面说了，mmap的主要工作是把设备地址映射到进程虚拟地址，也即是一个vm_area_struct的结构体，这里说的映射，是一个很悬的东西，那它在程序中的表现是什么呢？------页表，没错，就是页表，映射就是要建立页表。进程地址空间就可以通过页表（软件）和MMU（硬件）映射到设备地址上了

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virt_to_phys(buf)，buf是在open时申请的地址，这里使用virt_to_phys把buf转换成物理地址，是模拟了一个硬件设备，即把虚拟设备映射到虚拟地址，在实际中可以直接使用物理地址。

总结

①从以上看到，内核各个模块错综复杂、相互交叉

②单纯一个小小驱动模块，就涉及了进程管理（进程地址空间）、内存管理（页表与页帧映射）、虚拟文件系统（structfile、structinode）