Linux中mmap系统调用原理分析与实现

1、mmap系统调用(功能)
      void* mmap ( void * addr , size_t len , int prot , int flags ,int fd , off_t offset )
      内存映射函数mmap, 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。

2、mmap系统调用(参数)
      1)addr: 指定映射的起始地址, 通常设为NULL, 由系统指定。
      2)length: 映射到内存的文件长度。
      3) prot:   映射区的保护方式, 可以是:
             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

4)flags: 映射区的特性, 可以是:
            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), 对此区域所做的修改不会写回原文件。

5)fd: 由open返回的文件描述符, 代表要映射的文件。
      6)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。

3、解除映射
      int munmap(void *start,size_t length)
     功能:取消参数start所指向的映射内存,参数length表示欲取消的内存大小。
    返回值:解除成功返回0,否则返回-1,错误原因存于errno中。

实例分析
mmap系统调用

4、虚拟内存区域
      虚拟内存区域是进程的虚拟地址空间中的一个同质区间,即具有同样特性的连续地址范围。一个进程的内存映象由下面几部分组成:程序代码、数据、BSS
和栈区域,以及内存映射的区域。

一个进程的内存区域可以通过查看:/proc/pid/maps
08048000-0804f000 r-xp 00000000 08:01 573748 /sbin/rpc.statd #text
0804f000-08050000 rw-p 00007000 08:01 573748 /sbin/rpc.statd #data
08050000-08055000 rwxp 00000000 00:00 0 #bss
040000000-40015000 r-xp 00000000 08:01 933965 /lib/ld2.3.2.so #text
40015000-40016000 rw-p 00014000 08:01 933965 /lib/ld-2.3.2.so #data

每一行的域为:start_end perm offset major:minor inode
       1) Start: 该区域起始虚拟地址
       2) End: 该区域结束虚拟地址
       3) Perm: 读、写和执行权限;表示对这个区域,允许进程做什么。这个域的最后一个字符要么是p表示私有的,要么是s表示共享的。
       4) Offset: 被映射部分在文件中的起始地址
       5) Major、minor:主次设备号
       6) Inode:索引结点

5、vm_area_struct
      Linux内核使用结构vm_area_struct(<linux/mm_types.h>)来描述虚拟内存区域,其中几个主要成员如下:
     1)unsigned long vm_start   虚拟内存区域起始地址
     2)unsigned long vm_end    虚拟内存区域结束地址

3)unsigned long vm_flags  该区域的标记。如:VM_IO和VM_RESERVED。VM_IO将该VMA标记为内存映射的IO区域,VM_IO会阻止系统将该区域包含在进程的存放转
存(core dump )中,VM_RESERVED标志内存区域不能被换出。

6、mmap设备操作
      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。当程序读写这段用户空间的地址时,它实际上是在访问设备。

mmap设备方法需要完成什么功能?
      mmap方法是file_oprations结构的成员,在mmap系统调用发出时被调用。在此之前,内核已经完成了很多工作。mmap设备方法所需要做的就是建立
虚拟地址到物理地址的页表。
      int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *)

mmap如何完成页表的建立?
     方法有二:
     1)使用remap_pfn_range一次建立所有页表;
     2)使用nopage VMA方法每次建立一个页表。

构造页表的工作可由remap_pfn_range函数完成,原型如下:
     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

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