概述
内存映射的应用
mmap()用于共享内存的两种方式
示例
驱动+应用
进程间共享内存
匿名映射实现父子进程通信
mmap进行内存映射的原理
内存映射,简而言之就是将内核空间的一段内存区域映射到用户空间。映射成功后,用户对这段内存区域的修改可以直接反映到内核空间,相反,内核空间对这段区域的修改也直接反映用户空间。那么对于内核空间与用户空间两者之间需要大量数据传输等操作的话效率是非常高的。当然,也可以将内核空间的一段内存区域同时映射到多个进程,这样还可以实现进程间的共享内存通信。
系统调用mmap()就是用来实现上面说的内存映射。最长见的操作就是文件(在Linux下设备也被看做文件)的操作,可以将某文件映射至内存(进程空间),如此可以把对文件的操作转为对内存的操作,以此避免更多的lseek()与read()、write()操作,这点对于大文件或者频繁访问的文件而言尤其受益。
mmap将一个文件或者其它对象映射进内存。文件被映射到多个页上,如果文件的大小不是所有页的大小之和,最后一个页不被使用的空间将会清零。munmap执行相反的操作,删除特定地址区域的对象映射。
当使用mmap映射文件到进程后,就可以直接操作这段虚拟地址进行文件的读写等操作,不必再调用read,write等系统调用。但需注意,直接对该段内存写时不会写入超过当前文件大小的内容。
采用共享内存通信的一个显而易见的好处是效率高,因为进程可以直接读写内存,而不需要任何数据的拷贝。对于像管道和消息队列等通信方式,则需要在内核和用户空间进行四次的数据拷贝,而共享内存则只拷贝两次数据:一次从输入文件到共享内存区,另一次从共享内存区到输出文件。实际上,进程之间在共享内存时,并不总是读写少量数据后就解除映射,有新的通信时,再重新建立共享内存区域。而是保持共享区域,直到通信完毕为止,这样,数据内容一直保存在共享内存中,并没有写回文件。共享内存中的内容往往是在解除映射时才写回文件的。因此,采用共享内存的通信方式效率是非常高的。
通常使用mmap()的三种情况: 提高I/O效率、匿名内存映射、共享内存进程通信。
用户空间 mmap()函数 void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset),下面就其参数解释如下:
fd=open(name, flag, mode);
if(fd<0)
...
ptr=mmap(, len , PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED , fd , 0);
首先在驱动程序分配一页大小的内存,然后用户进程通过mmap()将用户空间中大小也为一页的内存映射到内核空间这页内存上。映射完成后,驱动程序往这段内存写10个字节数据,用户进程将这些数据显示出来。
#include
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#include
#define DEVICE_NAME "mymap"
static unsigned char array[10]={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
static unsigned char *buffer;
static int my_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
return 0;
}
static int my_map(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
{
unsigned long page;
unsigned char i;
unsigned long start = (unsigned long)vma->vm_start;
//unsigned long end = (unsigned long)vma->vm_end;
unsigned long size = (unsigned long)(vma->vm_end - vma->vm_start);
//得到物理地址
page = virt_to_phys(buffer);
//将用户空间的一个vma虚拟内存区映射到以page开始的一段连续物理页面上
if(remap_pfn_range(vma,start,page>>PAGE_SHIFT,size,PAGE_SHARED))//第三个参数是页帧号,由物理地址右移PAGE_SHIFT得到
return -1;
//往该内存写10字节数据
for(i=0;i<10;i++)
buffer[i] = array[i];
return 0;
}
static struct file_operations dev_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = my_open,
.mmap = my_map,
};
static struct miscdevice misc = {
.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
.name = DEVICE_NAME,
.fops = &dev_fops,
};
static int __init dev_init(void)
{
int ret;
//注册混杂设备
ret = misc_register(&misc);
//内存分配
buffer = (unsigned char *)kmalloc(PAGE_SIZE,GFP_KERNEL);
//将该段内存设置为保留
SetPageReserved(virt_to_page(buffer));
return ret;
}
static void __exit dev_exit(void)
{
//注销设备
misc_deregister(&misc);
//清除保留
ClearPageReserved(virt_to_page(buffer));
//释放内存
kfree(buffer);
}
module_init(dev_init);
module_exit(dev_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("LKN@SCUT");
#include
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#include
#include
#define PAGE_SIZE 4096
int main(int argc , char *argv[])
{
int fd;
int i;
unsigned char *p_map;
//打开设备
fd = open("/dev/mymap",O_RDWR);
if(fd < 0)
{
printf("open fail
");
exit(1);
}
//内存映射
p_map = (unsigned char *)mmap(0, PAGE_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED,fd, 0);
if(p_map == MAP_FAILED)
{
printf("mmap fail
");
goto here;
}
//打印映射后的内存中的前10个字节内容
for(i=0;i<10;i++)
printf("%d
",p_map[i]);
here:
munmap(p_map, PAGE_SIZE);
return 0;
}
UNIX访问文件的传统方法是用open打开它们, 如果有多个进程访问同一个文件, 则每一个进程在自己的地址空间都包含有该文件的副本,这不必要地浪费了存储空间。下图说明了两个进程同时读一个文件的同一页的情形。系统要将该页从磁盘读到高速缓冲区中, 每个进程再执行一个存储器内的复制操作将数据从高速缓冲区读到自己的地址空间。
现在考虑另一种处理方法共享存储映射: 进程A和进程B都将该页映射到自己的地址空间, 当进程A第一次访问该页中的数据时, 它生成一个缺页中断。内核此时读入这一页到内存并更新页表使之指向它。以后, 当进程B访问同一页面而出现缺页中断时, 该页已经在内存, 内核只需要将进程B的页表登记项指向次页即可。如下图所示:
下面就是进程A和B共享内存的示例。两个程序映射同一个文件到自己的地址空间, 进程A先运行, 每隔两秒读取映射区域, 看是否发生变化。进程B后运行, 它修改映射区域, 然后退出, 此时进程A能够观察到存储映射区的变化。
进程A的代码:
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define BUF_SIZE 100
int main(int argc, char **argv)
{
int fd, nread, i;
struct stat sb;
char *mapped, buf[BUF_SIZE];
for (i = 0; i < BUF_SIZE; i++) {
buf[i] = '#';
}
/* 打开文件 */
if ((fd = open(argv[1], O_RDWR)) < 0) {
perror("open");
}
/* 获取文件的属性 */
if ((fstat(fd, &sb)) == -1) {
perror("fstat");
}
/* 将文件映射至进程的地址空间 */
if ((mapped = (char *)mmap(, sb.st_size, PROT_READ |
PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0)) == (void *)-1) {
perror("mmap");
}
/* 文件已在内存, 关闭文件也可以操纵内存 */
close(fd);
/* 每隔两秒查看存储映射区是否被修改 */
while (1) {
printf("%s
", mapped);
sleep(2);
}
return 0;
}
进程B的代码:
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define BUF_SIZE 100
int main(int argc, char **argv)
{
int fd, nread, i;
struct stat sb;
char *mapped, buf[BUF_SIZE];
for (i = 0; i < BUF_SIZE; i++) {
buf[i] = '#';
}
/* 打开文件 */
if ((fd = open(argv[1], O_RDWR)) < 0) {
perror("open");
}
/* 获取文件的属性 */
if ((fstat(fd, &sb)) == -1) {
perror("fstat");
}
/* 私有文件映射将无法修改文件 */
if ((mapped = (char *)mmap(, sb.st_size, PROT_READ |
PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, 0)) == (void *)-1) {
perror("mmap");
}
/* 映射完后, 关闭文件也可以操纵内存 */
close(fd);
/* 修改一个字符 */
mapped[20] = '9';
return 0;
}
#include
#include
#include
#include
#define BUF_SIZE 100
int main(int argc, char** argv)
{
char *p_map;
/* 匿名映射,创建一块内存供父子进程通信 */
p_map = (char *)mmap(, BUF_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE,
MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
if(fork() == 0) {
sleep(1);
printf("child got a message: %s
", p_map);
sprintf(p_map, "%s", "hi, dad, this is son");
munmap(p_map, BUF_SIZE); //实际上,进程终止时,会自动解除映射。
exit(0);
}
sprintf(p_map, "%s", "hi, this is father");
sleep(2);
printf("parent got a message: %s
", p_map);
return 0;
}
mmap系统调用的最终目的是将设备或文件映射到用户进程的虚拟地址空间,实现用户进程对文件的直接读写,这个任务可以分为以下三步:
假如vm_area_struct描述的是一个文件映射的虚存空间,成员vm_file便指向被映射的文件的file结构,vm_pgoff是该虚存空间起始地址在vm_file文件里面的文件偏移,单位为物理页面。mmap系统调用所完成的工作就是准备这样一段虚存空间,并建立vm_area_struct结构体,将其传给具体的设备驱动程序.
linux有2个方法建立页表:
end
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页面更新:2024-03-12
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