mmap函数的使用,与驱动中mmap函数的实现
mmap怎样使用,怎样实现,为什么mmap可以减少额外的拷贝?
下面简单介绍。
一、mmap的使用
*内存映射:
#include<sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, // 映射去首地址
size_tlength, //指定映射区域的长度
int prot, int flags, //指定进程共享方式
int fd,
off_t offset); //开始映射的文件位置
int munmap(void *addr, size_t length);
[描述]
mmap
把文件或者设备映射到内存
。这个函数在调用进程的虚拟地址空间中创建一块映射区域。映射区域的首地址在addr中指定,length指定映射区域的长度。如果addr是NULL,那么由内核来选择一个地址来创建映射的区域,否则创建的时候会尽可能地使用addr的地址。在linux系统中,创建映射的时候应该是在下一个页面的边界创建,addr是NULL的时候,程序的可移植性最好。
length指定文件被映射的长度,offset指定从文件的哪个偏移位置开始映射,offset必须是页面大小的整数倍页面的大小可以由sysconf(_SC_PAGE_SIZE)来返回.
prot指定内存的保护模式(具体参见man).
flags指定区域在不同进程之间的共享方式,以及区域是否同步到相应的文件等等(具体参见man).
这个函数返回新创建的页面的地址。
munmap
取消address指定地址范围的映射。以后再引用取消的映射的时候就会导致非法内存的访问。这里address应该是页面的整数倍。
成功的时候这个函数返回0。
失败的时候,两者都返回-1.
[举例]
1 //hellohello hello
2 /*程序功能:
3 * 1)主要测试mmap和munmap的2)简单的write
4 *具体为:
5 *在命令中分别指定文件名,映射的长度,映射的起始地址.
6 *将文件映射到内存中
7 *把映射到内存中的内容用write写到标准输出。
8 *注意,这里没有对越界进行检测。
9
*
*/
10
#include <sys/mman.h>//mmap
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#include <unistd.h>//sysconf
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#include <fcntl.h>//fileopen
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#include <stdio.h>//printf
14 intmain(int
argc, char *argv[])
15 {
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if(argc!= 4)
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{
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write(STDOUT_FILENO,"hello\n",6);
19
printf("usage:%s <filename> <offset><length>\n",argv[0]);
20
return 1;
21
}
22 char
*filename= argv[1];//1)指定文件
23
printf("the file to be mapped is:%s\n",filename);
24
int fd= open(filename,O_RDONLY);
25
26 int offset
= atoi(argv[2]);//2)指定映射起始地址(页面的整数倍)
27
printf("start offset of file to be mapped is:%d\n",offset);
28
printf("page size is:%ld\n",sysconf(_SC_PAGE_SIZE));
29 intrealOffset
= offset&~(sysconf(_SC_PAGE_SIZE)- 1);//转换成页面的整数倍
30
printf("real start offset of file to be mappedis:%d\n",realOffset);
31
32 int length
= atoi(argv[3]);//3)指定映射长度
33
printf("the length to be map is:%d\n",length);
34 int realLen
= length+offset-realOffset;//实际写入的字节数
35
printf("the real length to be map is:%d\n",realLen);
36
37 //mmap的参数分别是:
38 //NULL,让内核自己选择映射的地址;realLen指定映射的长度;
39 //PROT_READ只读;MAP_PRIVATE不和其他的进程之间共享映射区域,数据也不写入对应的文件中;
40 //realOffset映射文件的起始地址(页面的整数倍)。
41 Char*addr=mmap(NULL,realLen,PROT_READ,MAP_PRIVATE,fd,realOffset);//4)开始映射
42
43 //关闭打开的文件,实际程序退出的时候会自动关闭。
44 //关闭文件之后,相应的映射内存仍旧存在,映射的内存用munmap关闭。
45
close(fd);
46 //write的参数分别是:
47 //STDOUT_FILENO:文件描述符号(这里是标准输出)
48 //addr,将要写入文件的内容的地址
49 //realLen,写入的长度,长度以addr作为起始地址
50 write(STDOUT_FILENO,addr,realLen);//将映射的内容写到标准输出
51 munmap(addr,realLen);//5)关闭映射的内存
52 //write(STDOUT_FILENO,addr,realLen);//不能使用了
53
printf("\n");
54 }
二、mmap实现
驱动中有对mmap的具体实现。用户调用mmap系统调用函数之后,最终会调用到驱动中的mmap函数接口。下面是一个例子:
static int commdrv_mmap(struct file* file, struct vm_area_struct* vma)
{
long phy_addr;
unsigned long offset;
unsigned long size;
vma->vm_page_prot =pgprot_noncached(vma->vm_page_prot);
vma->vm_flags |= VM_LOCKED;
offset = vma->vm_pgoff <<PAGE_SHIFT;/*XXX assume is 12*/
size = vma->vm_end -vma->vm_start;
if(BUF0_OFF == offset) {
phy_addr = PHYS_BASE0;
} else if(BUF1_OFF == offset) {
phy_addr = PHYS_BASE1;
} else if(START_OFF == offset) {
phy_addr = PHYS_BASE;
} else {
return -ENXIO;
}
/*phy_addr must be 4k *n*/
if(remap_pfn_range(vma,vma->vm_start, phy_addr >> PAGE_SHIFT, size, vma->vm_page_prot)) {
return -ENXIO;
}
return 0;
}
对于以上代码,
"vma->vm_page_prot = pgprot_noncached(vma->vm_page_prot);"表示要映射的内存是非cached的,这样不会存在缓存中的数据和实际数据不一致的情况,但是速度会比cached的要慢。
offset表示要映射的数据的偏移,这个偏移量来自用户空间的mmap调用,用户空间传入的偏移在这里进行判断,虽然一般的文件就将这个偏移量做为文件偏移了,其实这个offset的含义,由驱动自己解释,不一定就是字节偏移,驱动根据这个偏移量来决定映射哪块内存,
size表示要映射的内存的大小。
"remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, phy_addr >> PAGE_SHIFT,size, vma->vm_page_prot)"表示将根据被映射的物理地址,以及虚拟起始地址,和大小等信息,将相应的部分映射到用户空间。其中参数vma直接来自commdrv_mmap函数的参数,phy_addr是要映射的设备的物理地址(必须是页对齐的),只有少量的信息自己设置,大多来自外部。最后映射的地址,通过用户调用的mmap函数返回,用户可以直接操作。
三、mmap优点
mmap实现了将设备驱动在内核空间的部分地址直接映射到用户空间,使得用户程序可以直接访问和操作相应的内容。减少了额外的拷贝,而一般的read,write函数虽然表面上直接向设备写入,其实还需要进行一次拷贝。
例如,下面是某个设备驱动中的的write实现,当外面用户程序调用write系统调用向相应设备文件写之后,最终会进入到这个函数进行真正的读取所需操作。
staticssize_t commdrv_write(struct file* filp, char __user* buf,
size_t count, loff_t* ppos)
{
char* wbuf;
wbuf = (char*)vmalloc(count);
if(!wbuf) {
return 0;
}
ret = copy_from_user(wbuf, (char __user*)buf, count);
if(0 != ret) {
vfree(wbuf);
return 0;
}
.....do others things with wbuf......
vfree(wbuf);
return count;
}
由上面的代码可知,用户传入的数据指针buf,在驱动中(也就是内核空间)不能直接访问,必须使用copy_from_user将其拷贝到内核空间的一块内存,然后才能进行后续的操作(内核中不能不经过copy_from_user,直接访问用户传下来的指针buf的地址的内容)。
而mmap,使得将内核空间直接映射到了用户空间,让用户空间通过返回的指针直接访问,这样内核和用户空间直接操作同样的内存。也就是说,如果不使用mmap,那么由于在内核空间的代码,和外面用户空间的代码对应的地址空间不同,这样内核空间和用户空间不能互相访问其指针;如果想要访问,对方指针的内容,那么只能通过copy_from_user之类的函数先将其数据拷贝到内核空间(相应的read一般使用copy_to_user可以将内核空间内的指针数据拷贝给用户空间的指针所指)再访问。除非直接将内存映射,否则一定要拷贝才能访问用户空间数据。
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 补充 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
void *mmap(void *addr, size_t len, int prot,int flags, int fd, off_t offset)
负责把文件内容映射到进程的虚拟内存空间,通过对这段内存的读取和修改,来实现对文件的读取和修改,而不需要再调用read,write等操作。
addr: 映射的起始地址,通常为NULL,由系统指定
length:映射文件的长度
prot:映射区的保护方式 PROT_EXEC:映射区可被执行,PROT_READ:映射区可被读取,PROT_WRITE:映射区可被写入
flags:映射区的特性MAP_SHARED:写入映射区的数据会复制回文件,且允许其他映射该文件的进程共享。
MAP_PRIVATE:对映射区的写入操作会产生一个映射区的复制(copy-on-write),对此区域的修改不会写回源文件。
fd:由open返回的文件描述符,代表要映射的文件
offset:以文件开始处的偏移量,必须是分页大小的整数倍,通常为0,表示从文件头开始映射。
注意mmap不能映像原有文件的长度
int munmap(void *start, size_t length)
成功返回0,失败返回-1. start的取值一般是mmap返回的地址
虚拟内存区域:是虚拟地址空间的一个同质区间,即有同样特性的连续地址范围。一个进程的内存映像由以下几部分组成:程序代码,数据,BSS和栈区域,以及内存映射区域
一个进程的内存区域可以通过查看 /proc/pid/maps
每一行的域为:start_endperm offset major:minor inode
linux内核使用结构vm_area_struct来描述虚拟内存区域,其中主要成员如下:
unsigned longvm_start 虚拟内存区域起始地址
unsigned longvm_end 虚拟内存区域结束地址
unsigned longvm_flags
映射一个设备是指把用户空间的一段地址关联到设备内存上。
mmap做了三件事:
1.找到用户空间地址(内核完成)
2.找到设备的物理地址(原理图) 3.关联(通过页式管理)\
mmap设备方法需要做的就是建立虚拟地址到物理地址的页表。
int(*mmap)(structfile *, struct vm_area_struct *)
建立页表有两种方法:
1.使用remap_pfn_range一次建立所有页表;
2.使用nopage VMA方法每次建立一个也表。
int remap_pfn_range(struct vm_area_struct *vma,unsigned long addr, unsigned long pfn, unsigned long size, pgprot_t prot)
vma:虚拟内存区域指针 virt_addr:虚拟地址的起始值 pfn:要映射的物理地址所在的物理页祯号,可将物理地址>>PAGE_SHIFT得到(PAGE_SHIFT为12,相当于除以4KB)
size:要映射的区域的大小 prot:VMA的保护属性