Linux - 用户态内存映射 和 内核态内存映射

*** 作系统的内存管理，主要分为三个方面。

第一，物理内存的管理，相当于会议室管理员管理会议室。

第二，虚拟地址的管理，也即在项目组的视角，会议室的虚拟地址应该如何组织。

第三，虚拟地址和物理地址如何映射，也即会议室管理员如果管理映射表。

那么虚拟地址和物理地址如何映射呢？

每一个进程都有一个列表vm_area_struct，指向虚拟地址空间的不同的内存块，这个变量的名字叫mmap。

其实内存映射不仅仅是物理内存和虚拟内存之间的映射，还包括将文件中的内容映射到虚拟内存空间。这个时候，访问内存空间就能够访问到文件里面的数据。而仅有物理内存和虚拟内存的映射，是一种特殊情况。

如果我们要申请小块内存，就用brk。brk函数之前已经解析过了，这里就不多说了。如果申请一大块内存，就要用mmap。对于堆的申请来讲，mmap是映射内存空间到物理内存。

另外，如果一个进程想映射一个文件到自己的虚拟内存空间，也要通过mmap系统调用。这个时候mmap是映射内存空间到物理内存再到文件。可见mmap这个系统调用是核心，我们现在来看mmap这个系统调用。

用户态的内存映射机制包含以下几个部分。

物理内存根据NUMA架构分节点。每个节点里面再分区域。每个区域里面再分页。

物理页面通过伙伴系统进行分配。分配的物理页面要变成虚拟地址让上层可以访问，kswapd可以根据物理页面的使用情况对页面进行换入换出。

对于内存的分配需求，可能来自内核态，也可能来自用户态。

对于内核态，kmalloc在分配大内存的时候，以及vmalloc分配不连续物理页的时候，直接使用伙伴系统，分配后转换为虚拟地址，访问的时候需要通过内核页表进行映射。

对于kmem_cache以及kmalloc分配小内存，则使用slub分配器，将伙伴系统分配出来的大块内存切成一小块一小块进行分配。

kmem_cache和kmalloc的部分不会被换出，因为用这两个函数分配的内存多用于保持内核关键的数据结构。内核态中vmalloc分配的部分会被换出，因而当访问的时候，发现不在，就会调用do_page_fault。

对于用户态的内存分配，或者直接调用mmap系统调用分配，或者调用malloc。调用malloc的时候，如果分配小的内存，就用sys_brk系统调用；如果分配大的内存，还是用sys_mmap系统调用。正常情况下，用户态的内存都是可以换出的，因而一旦发现内存中不存在，就会调用do_page_fault。

1.打开/dev/fbX

fp = open ("/dev/fb0",O_RDWR)

2.获取可变参数，固定参数

ioctl(fp,FBIOGET_VSCREENINFO,&vinfo)  可变参数

ioctl(fp,FBIOGET_FSCREENINFO,&finfo)  固定参数

3.内存映射(mmap)

screensize = vinfo.xres * vinfo.yres * vinfo.bits_per_pixel / 8

/*这就是把fp所指的文件中从开始到 screensize 大小的内容给映射出来，得到一个指向这块空间的指针*/

fbp =(unsigned char *) mmap (0, screensize,

PROT_READ | PROT_WRITE,

MAP_SHARED, fp,0)

4.使用映射后的地址对屏进行 *** 作。

使用上面得到的 fbp 指针来 *** 作显示缓冲区了。

把lcd看成是一块内存，使用mmap函数把它的缓冲区映射到进程空间中，然后通过映射后的地址直接 *** 作驱动中的显示缓冲区，往这块缓冲写数据，lcd就会按数值转换成相应颜色显示在LCD屏上。

一般情况下，用户空间是不可能也不应该直接访问设备的，但是，设备驱动程序中可实现mmap ()函数，这个函数可使得用户空间能直接访问设备的物理地址。实际上，mmap ()实现了这样的一个映射过程:它将用户空间的一段内存与设备内存关联，当用户访问用户空间的这段地址范围时，实际上会转化为对设备的访问。

这种能力对于显示适配器一类的设备非常有意义，如果用户空间可直接通过内存映射访问显存的话，屏幕帧的各点像素将不再需要一个从用户空间到内核空间的复制的过程。

mmap ()必须以PAGE_SIZE为单位进行映射，实际上，内存只能以页为单位进行映射，若要映射非PAGE_SIZE整数倍的地址范围，要先进行页对齐，强行以PAGE_SIZE的倍数大小进行映射。

从file_operations文件 *** 作结构体可以看出，驱动中mmap ()函数的原型如下:

int ( *mmap)(struct file *, struct vm_area_struct* )

驱动中的mmap (） 函数将在用户进行mmap (）系统调用时最终被调用，mmap (）系统调用的原型与file_operations中mmap (）的原型区别很大，如下所示:

caddr_t mmap (caddr_t addr，size_t len，int prot，int flags，int fd，off_t offset)

参数fd为文件描述符，一般由open ()返回，fd也可以指定为-1，此时需指定flags参数中的MAP_ANON，表明进行的是匿名映射。

len是映射到调用用户空间的字节数，它从被映射文件开头offset个字节开始算起，offset参数一般设为0，表示从文件头开始映射。

prot参数指定访问权限，可取如下几个值的“或”:PROT_READ(可读)、PROT_WRITE(可写)、PROT_EXEC(可执行）和PROT_NONE（不可访问)。

参数addr指定文件应被映射到用户空间的起始地址，一般被指定为NULL，这样，选择起始地址的任务将由内核完成，而函数的返回值就是映射到用户空间的地址。其类型caddr_t实际上就是void*。

当用户调用mmap ()）的时候，内核会进行如下处理。

1）在进程的虚拟空间查找一块VMA。

2）将这块VMA进行映射。

3）如果设备驱动程序或者文件系统的file_operations定义了mmap () *** 作，则调用它。

4）将这个VMA插入进程的VMA链表中。

file_operations中mmap (）函数的第一个参数就是步骤1）找到的VMA。

由mmap ()系统调用映射的内存可由munmap (）解除映射，这个函数的原型如下:

int munmap(caddr_t addr, size_t len )

驱动程序中mmap ()的实现机制是建立页表，并填充VMA结构体中vm_operations_struct指针。

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