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mmap（Memory Map）是把文件或设备的物理内存 直接映射到进程的虚拟地址空间，让进程可以像访问普通内存一样访问文件或设备。
普通 read/write 和 mmap 对比
普通 read/write：
硬件/文件 │ ▼ 内核缓冲区 ← 数据在这里 │ │ copy_to_user（数据拷贝） ▼ 用户缓冲区 ← 数据又拷贝一份 │ ▼ 用户程序使用mmap：
硬件/文件的物理内存 │ │ 直接映射，无需拷贝 ▼ 用户虚拟地址空间 │ ▼ 用户程序直接访问mmap 省去了内核和用户空间之间的数据拷贝。
2.原理
进程虚拟地址空间 0xFFFFFFFF ┌─────────────────┐ │ 内核空间 │ 0xC0000000 ├─────────────────┤ │ 用户栈 │ │ │ │ mmap映射区域 │ ← mmap 在这里建立映射 │ │ │ 堆 │ │ 数据段 │ 0x00000000 │ 代码段 │ └─────────────────┘ mmap 的本质： 修改进程页表，把虚拟地址直接指向物理内存 用户读写虚拟地址 ──→ CPU 通过页表 ──→ 直接访问物理内存缺页异常机制
mmap 调用时并不立刻建立映射，而是用到时才真正映射：
mmap() 调用 │ ▼ 只在页表里做个标记，不实际分配物理内存 │ ▼ 用户访问该地址 │ ▼ 触发缺页异常（Page Fault） │ ▼ 内核处理缺页异常 建立虚拟地址到物理地址的映射 │ ▼ 用户程序继续执行，透明无感知驱动中实现 mmap
需要实现 file_operations 里的 mmap 函数：
#include <linux/mm.h> static int my_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma) { /* vma 描述了用户请求的虚拟地址范围 */ unsigned long size = vma->vm_end - vma->vm_start; /* 把物理地址映射到用户虚拟地址 */ /* remap_pfn_range：建立页表映射 */ if (remap_pfn_range( vma, vma->vm_start, // 用户虚拟地址起始 vma->vm_pgoff, // 物理地址页帧号 size, // 映射大小 vma->vm_page_prot)) // 保护标志 return -EAGAIN; return 0; } static struct file_operations my_fops = { .mmap = my_mmap, };vm_area_struct 是什么
struct vm_area_struct { unsigned long vm_start; // 虚拟地址起始 unsigned long vm_end; // 虚拟地址结束 unsigned long vm_pgoff; // 物理地址页帧号偏移 pgprot_t vm_page_prot; // 页保护属性 ... };用户调用 mmap 时，内核创建这个结构体描述映射区域，传给驱动的 mmap 函数。
4.完整驱动示例
#include <linux/module.h> #include <linux/fs.h> #include <linux/mm.h> #include <linux/device.h> #include <linux/slab.h> #include <linux/uaccess.h> #define MEM_SIZE 4096 // 映射大小，必须是页的整数倍 static char *kernel_buf; // 内核分配的内存 static int major; static struct class *my_class; static struct device *my_device; static int my_open(struct inode *inode, struct file *file) { return 0; } static int my_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma) { unsigned long size = vma->vm_end - vma->vm_start; unsigned long pfn; /* 检查大小 */ if (size > MEM_SIZE) return -EINVAL; /* 获取物理地址的页帧号 */ pfn = virt_to_phys(kernel_buf) >> PAGE_SHIFT; /* 设置写合并属性（适合显存、帧缓冲等顺序写入场景）*/ vma->vm_page_prot = pgprot_writecombine(vma->vm_page_prot); /* 建立映射 */ if (remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, pfn, size, vma->vm_page_prot)) { printk("remap_pfn_range failed\n"); return -EAGAIN; } printk("mmap: virt=0x%lx phys=0x%lx size=%lu\n", vma->vm_start, pfn << PAGE_SHIFT, size); return 0; } static struct file_operations my_fops = { .owner = THIS_MODULE, .open = my_open, .mmap = my_mmap, }; static int __init my_init(void) { /* 分配内核内存 */ kernel_buf = kmalloc(MEM_SIZE, GFP_KERNEL); if (!kernel_buf) return -ENOMEM; /* 预置一些数据 */ strcpy(kernel_buf, "hello from kernel"); /* 注册字符设备 */ major = register_chrdev(0, "my_mmap", &my_fops); my_class = class_create(THIS_MODULE, "my_mmap_class"); my_device = device_create(my_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "my_mmap"); printk("my_mmap driver loaded\n"); return 0; } static void __exit my_exit(void) { device_destroy(my_class, MKDEV(major, 0)); class_destroy(my_class); unregister_chrdev(major, "my_mmap"); kfree(kernel_buf); } module_init(my_init); module_exit(my_exit); MODULE_LICENSE("GPL");用户空间使用
#include <stdio.h> #include <fcntl.h> #include <sys/mman.h> #include <string.h> int main() { int fd = open("/dev/my_mmap", O_RDWR); if (fd < 0) { perror("open"); return -1; } /* mmap 映射 */ char *p = mmap(NULL, // 让内核选择虚拟地址 4096, // 映射大小 PROT_READ | PROT_WRITE, // 可读可写 MAP_SHARED, // 共享映射 fd, 0); // 偏移 if (p == MAP_FAILED) { perror("mmap"); return -1; } /* 直接读取内核数据，无需 read() */ printf("读到：%s\n", p); /* 直接写入，无需 write() */ strcpy(p, "hello from user"); /* 解除映射 */ munmap(p, 4096); close(fd); return 0; }优点
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零拷贝，性能高
普通 read/write： 物理内存 ──拷贝──→ 内核缓冲区 ──拷贝──→ 用户缓冲区 （2次拷贝） mmap： 物理内存 ──直接访问──→ 用户程序 （0次拷贝） -
大数据量传输效率极高
传输 1GB 数据： read/write：需要拷贝 1GB 数据 mmap： 只需建立页表映射，几乎无开销 -
多进程共享内存
进程A ──→ mmap 同一块物理内存 ←── 进程B │ ▼ 直接共享，无需IPC拷贝 -
直接操作硬件寄存器
嵌入式开发中： 把硬件寄存器物理地址 mmap 到用户空间 用户程序直接读写寄存器，无需驱动中转
缺点
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映射大小必须是页的整数倍
PAGE_SIZE = 4096 字节 映射 100 字节 ──→ 实际占用 4096 字节 有内存浪费 小数据量用 read/write 更合适 -
建立映射有开销
mmap 需要： 修改页表 处理缺页异常 小数据量时这些开销比 read/write 还大 适合大数据量场景 -
安全性较低
用户可以直接访问内核内存 指针错误可能导致内核数据损坏 需要驱动做好边界检查 -
不适合频繁小块读写
每次访问可能触发缺页异常 频繁小块访问开销反而更大
使用场景总结
适合 mmap： ✅ 大数据量传输（视频、音频） ✅ 多进程共享内存 ✅ 直接操作硬件寄存器 ✅ 数据库文件映射 ✅ 帧缓冲（LCD显示） 不适合 mmap： ❌ 小数据量频繁传输 ❌ 需要严格数据校验 ❌ 网络数据传输mmap 本质是通过修改页表让用户空间直接访问物理内存，省去数据拷贝，适合大数据量场景。驱动实现核心是 remap_pfn_range，把物理地址映射到用户请求的虚拟地址范围。
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避免用户申请的内存容量大于驱动预留的内存容量：
1.ioctl 查询大小（推荐）
用户 mmap 之前，先用 ioctl 问驱动要多大：
/* 驱动 */ #define MEM_SIZE (1024 * 1024) #define IOCTL_GET_SIZE _IOR('M', 1, int) static long my_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg) { int size = MEM_SIZE; switch (cmd) { case IOCTL_GET_SIZE: /* 把大小告诉用户 */ if (copy_to_user((int __user *)arg, &size, sizeof(size))) return -EFAULT; break; default: return -EINVAL; } return 0; } static struct file_operations my_fops = { .mmap = my_mmap, .unlocked_ioctl = my_ioctl, }; /* 用户程序 */ int size; /* 先问驱动要多大 */ ioctl(fd, IOCTL_GET_SIZE, &size); /* 再按实际大小 mmap */ char *p = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);*** ** * ** ***
嵌入式linux学习记录十二，mmap
bush42026-06-07 17:06
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