Linux关于地址空间和MMAP映射有何特点

Linux采用

虚拟

内存技术，系统中的所有进程之间以虚拟方式共享内存。对每个进程来说，它们好像都可以访问整个系统的所有物理内存。更重要的是，即使单独一个进程，它拥有的地址空间也可以远远大于系统物理内存。

进程地址空间由每个进程中的线性地址区组成，每个进程都有一个32位或64位的平坦（flat）空间，空间的具体大小取决于体系结构。“平坦”指地址空间范围是一个独立的连续区间。通常情况下，每个进程都有唯一的这种平坦空间，而且每个进程的地址空间之间彼此互不相干。两个不同的进程可以在它们各自地址空间的相同地址内存存放不同的数据。但是进程之间也可以选择共享地址空间，我们称这样的进程为线程。

在地址空间中，我们更为关心的是进程有权访问的虚拟内存地址区间，比如08048000~0804c000。这些可被访问的合法地址区间被成为内存区域（memory area），通过内核，进程可以给自己的地址空间动态地添加或减少内存区域。

进程只能访问有效范围内的内存地址。每个内存区域也具有相应进程必须遵循的特定访问属性，如只读、只写、可执行等属性。如果一个进程访问了不在有效范围中的地址，或以不正确的方式访问有效地址，那么内核就会终止该进程，并返回“段错误”信息。

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内存区域可以包含各种内存对象，如下：

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可执行文件代码的内存映射，成为代码段（text section）。

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可执行文件的已初始化全局变量的内存映射，成为数据段（data section）。

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包含未初始化全局变量的零页（也就是bss段）的内存映射。零页是指页面中的数据全部为0。

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用于进程用户空间栈的零页的内存映射。

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每一个诸如C库或动态链接程序等共享库的代码段、数据段和bss也会被载入进程的地址空间。

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任何内存映射文件。

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任何共享内存段。

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任何匿名的内存映射，比如由malloc（）分配的内存。

进程地址空间的任何有效地址都只能位于唯一的区域，这些内存区域不能相互覆盖。可以看到，在执行的进程中，每个不同的内存片断都对应一个独立的内存区域：栈、对象代码、全局变量、被映射的文件等等。

内核使用内存描述符表示进程的地址空间。内存描述符由mm_struct结构体表示，定义在文件中，该结构包含了和进程地址空间有关的全部信息。

VMA

内存区域由vm_area_struct结构体描述，定义在文件中，内存区域在内核中也经常被称作虚拟内存区域或者VMA。

VMA标志是一种位标志，它定义在vm_area_struct结构中（该结构中的vm_flags子域）。和物理页的访问权限不同，VMA标志反映了内核处理页面索需要遵守的行为准则，而不是硬件要求。VM_IO标志内存区域中包含对设备I/O空间的映射。该标志通常在设备驱动程序执行 mmap()函数进行I/O空间映射时才被设置，同时该标志也表示该内存区域不能被包含在任何进程的存放转存（core dump）中。VM_RESERVED标志内存区域不能被换出，它也是在设备驱动程序进行映射时被设置。

vm_area_struct结构体中的vm_ops域指向与指定内存区域相关的 *** 作函数表，内核使用表中的方法 *** 作VMA。

mmap()和do_mmap()：创建地址区间

内核使用do_mmap()函数创建一个新的线性地址区间。但是说给函数创建一个新VMA并不非常准确，因为如果创建的地址区间和一个已经存在的地址区间相邻，并且它们具有相同的访问权限的话，那么两个区间将合并为一个。如果不能合并，那么就确实需要创建一个新的VMA了。但无论哪种情况，do_mmap()函数都会将一个地址区间加入到进程的地址空间中——无论是扩展已经存在的内存区域还是创建一个新的区域。

do_mmap()函数声明在文件中，原型如下：

unsigned long do_mmap(struct file *file, unsigned long addr,

unsigned long len, unsigned long prot,

unsigned long flag, unsigned long offset)

在用户空间可以通过mmap()函数调用获取内核函数do_mmap()的功能。mmap()系统调用原型如下：

void *mmap2(void *start, size_t length,

int prot, int flags,

int fd, off_t pgoff)

do_munmap()函数从特定的进程地址空间中删除指定地址区间，该函数在文件中声明：

int do_munmap(struct mm_struct *mm, unsigned long start, size_t len)

系统调用munmap()给用户空间程序提供了一种从自身地址空间中删除指定地址区间的方法，它和系统调用mmap()的作用相反：

int munmap(void *start, size_t length)

mmap设备 *** 作

对于驱动程序来说，内存映射可以提供给用户程序直接访问设备内存的能力。映射一个设备，意味着使用户空间的一段地址关联到设备内存上。无论何时，只要程序在分配的地址范围内进行读取或者写入，实际上就是对设备的访问。

并不是所有的设备都能进行mmap抽象。例如，串口设备和其他面向流的设备就无法实现这种抽象。mmap的另一个限制是映射都是以 PAGE_SIZE为单位的。内核只能在页表一级处理虚拟地址；因此，被映射的区域必须是PAGE_SIZE的整数倍，而且必须位于起始于 PAGE_SIZE整数倍地址的物理内存内。如果区域的大小不是页大小的整数倍，内核就通过生成一个稍微大一些的区域来容纳它。

mmap方法是file_operations结构中的一员，并且在执行mmap系统调用时就会调用该方法。在调用实际方法之前，内核会完成很多工作，而且该方法的原型与系统调用的原型由很大区别。关于Linux命令的介绍，看看《linux就该这么学》，具体关于这一章地址3w(dot)linuxprobe/chapter-02(dot)html

文件 *** 作声明如下：

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

其中vma参数包含了用于访问设备的虚拟地址区间的信息。大部分工作已经由内核完成了，要实现mmap，驱动程序只要为这一地址范围构造合适的页表即可，如果需要的话，就用一个新的 *** 作集替换vma->vm_ops。

有两种建立页表的方法：使用remap_page_range函数可一次建立所有的页表，或者通过nopage VMA方法每次建立一个页表。

构造用于映射一段物理地址的新页表的工作是由remap_page_range完

以装载和卸载模块为例：

1、首先输入代码

#include <linux/init.h>

#include <linux/module.h>

2、然后输入下方的代码：

static int my_init(void)

{

                    return  0

}

static void my_exit(void)

3、然后在输入下方的代码：

{

                    return

}

module_init(my_init)

module_exit(my_exit)这样就完成了。

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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