一、概述
內存映射，簡而言之就是將用戶空間的一段內存區域映射到內核空間，映射成功後，用戶對這段內存區域的修改可以直接反映到內核空間，同樣，內核空間對這段區域的修改也直接反映用戶空間。那麼對於內核空間<---->用戶空間兩者之間需要大量數據傳輸等操作的話效率是非常高的。
以下是一個把普遍文件映射到用戶空間的內存區域的示意圖。
圖一：
二、基本函數
mmap函數是unix/linux下的系統調用，詳細內容可參考《Unix Netword programming》卷二12.2節。
mmap系統調用並不是完全為了用於共享內存而設計的。它本身提供了不同於一般對普通文件的訪問方式，進程可以像讀寫內存一樣對普通文件的操作。而Posix或系統V的共享內存IPC則純粹用於共享目的，當然mmap()實現共享內存也是其主要應用之一。
mmap系統調用使得進程之間通過映射同一個普通文件實現共享內存。普通文件被映射到進程地址空間後，進程可以像訪問普通內存一樣對文件進行訪問，不必再調用read()，write（）等操作。mmap並不分配空間, 只是將文件映射到調用進程的地址空間裡（但是會占掉你的 virutal memory）, 然後你就可以用memcpy等操作寫文件, 而不用write()了.寫完後，內存中的內容並不會立即更新到文件中，而是有一段時間的延遲，你可以調用msync()來顯式同步一下, 這樣你所寫的內容就能立即保存到文件裡了.這點應該和驅動相關。 不過通過mmap來寫文件這種方式沒辦法增加文件的長度, 因為要映射的長度在調用mmap()的時候就決定了.如果想取消內存映射，可以調用munmap()來取消內存映射
<span style="background-color: rgb(255, 255, 255);">void * mmap(void *start, size_t length, int prot , int flags, int fd, off_t offset)</span>
mmap用於把文件映射到內存空間中，簡單說mmap就是把一個文件的內容在內存裡面做一個映像。映射成功後，用戶對這段內存區域的修改可以直接反映到內核空間，同樣，內核空間對這段區域的修改也直接反映用戶空間。那麼對於內核空間<---->用戶空間兩者之間需要大量數據傳輸等操作的話效率是非常高的。
start：要映射到的內存區域的起始地址，通常都是用NULL（NULL即為0）。NULL表示由內核來指定該內存地址
length：要映射的內存區域的大小
prot：期望的內存保護標志，不能與文件的打開模式沖突。是以下的某個值，可以通過or運算合理地組合在一起 PROT_EXEC //頁內容可以被執行 PROT_READ //頁內容可以被讀取 PROT_WRITE //頁可以被寫入 PROT_NONE //頁不可訪問
flags：指定映射對象的類型，映射選項和映射頁是否可以共享。它的值可以是一個或者多個以下位的組合體
MAP_FIXED ：使用指定的映射起始地址，如果由start和len參數指定的內存區重疊於現存的映射空間，重疊部分將會被丟棄。如果指定的起始地址不可用，操作將會失敗。並且起始地址必須落在頁的邊界上。
MAP_SHARED ：對映射區域的寫入數據會復制回文件內, 而且允許其他映射該文件的進程共享。
MAP_PRIVATE ：建立一個寫入時拷貝的私有映射。內存區域的寫入不會影響到原文件。這個標志和以上標志是互斥的，只能使用其中一個。
MAP_DENYWRITE ：這個標志被忽略。
MAP_EXECUTABLE ：同上
MAP_NORESERVE ：不要為這個映射保留交換空間。當交換空間被保留，對映射區修改的可能會得到保證。當交換空間不被保留，同時內存不足，對映射區的修改會引起段違例信號。
MAP_LOCKED ：鎖定映射區的頁面，從而防止頁面被交換出內存。
MAP_GROWSDOWN ：用於堆棧，告訴內核VM系統，映射區可以向下擴展。
MAP_ANONYMOUS ：匿名映射，映射區不與任何文件關聯。
MAP_ANON ：MAP_ANONYMOUS的別稱，不再被使用。
MAP_FILE ：兼容標志，被忽略。
MAP_32BIT ：將映射區放在進程地址空間的低2GB，MAP_FIXED指定時會被忽略。當前這個標志只在x86-64平台上得到支持。
MAP_POPULATE ：為文件映射通過預讀的方式准備好頁表。隨後對映射區的訪問不會被頁違例阻塞。
MAP_NONBLOCK ：僅和MAP_POPULATE一起使用時才有意義。不執行預讀，只為已存在於內存中的頁面建立頁表入口。
fd：文件描述符（由open函數返回）
offset：表示被映射對象（即文件）從那裡開始對映，通常都是用0。 該值應該為大小為PAGE_SIZE的整數倍
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返回說明
成功執行時，mmap()返回被映射區的指針，munmap()返回0。失敗時，mmap()返回MAP_FAILED[其值為(void *)-1]，munmap返回-1。errno被設為以下的某個值
EACCES：訪問出錯
EAGAIN：文件已被鎖定，或者太多的內存已被鎖定
EBADF：fd不是有效的文件描述詞
EINVAL：一個或者多個參數無效
ENFILE：已達到系統對打開文件的限制
ENODEV：指定文件所在的文件系統不支持內存映射
ENOMEM：內存不足，或者進程已超出最大內存映射數量
EPERM：權能不足，操作不允許
ETXTBSY：已寫的方式打開文件，同時指定MAP_DENYWRITE標志
SIGSEGV：試著向只讀區寫入
SIGBUS：試著訪問不屬於進程的內存區
int munmap(void *start, size_t length)
start：要取消映射的內存區域的起始地址
length：要取消映射的內存區域的大小。
返回說明
成功執行時munmap()返回0。失敗時munmap返回-1.
int msync(const void *start, size_t length, int flags);
對映射內存的內容的更改並不會立即更新到文件中，而是有一段時間的延遲，你可以調用msync()來顯式同步一下, 這樣你內存的更新就能立即保存到文件裡
start：要進行同步的映射的內存區域的起始地址。
length：要同步的內存區域的大小
flag:flags可以為以下三個值之一：
MS_ASYNC : 請Kernel快將資料寫入。
MS_SYNC : 在msync結束返回前，將資料寫入。
MS_INVALIDATE : 讓核心自行決定是否寫入，僅在特殊狀況下使用
三、用戶空間和驅動程序的內存映射
3.1、基本過程
首先，驅動程序先分配好一段內存，接著用戶進程通過庫函數mmap()來告訴內核要將多大的內存映射到內核空間，內核經過一系列函數調用後調用對應的驅動程序的file_operation中指定的mmap函數，在該函數中調用remap_pfn_range()來建立映射關系。
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3.2、映射的實現
首先在驅動程序分配一頁大小的內存，然後用戶進程通過mmap()將用戶空間中大小也為一頁的內存映射到內核空間這頁內存上。映射完成後，驅動程序往這段內存寫10個字節數據，用戶進程將這些數據顯示出來。
驅動程序：
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/moduleparam.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/ioctl.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/list.h>
#include <linux/pci.h>
#include <linux/gpio.h>
#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);
//將用戶空間的一個vma虛擬內存區映射到以page開始的一段連續物理頁面上
if(remap_pfn_range(vma,start,page>>PAGE_SHIFT,size,PAGE_SHARED))//第三個參數是頁幀號，由物理地址右移PAGE_SHIFT得到
return -1;
//往該內存寫10字節數據
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;
//注冊混雜設備
ret = misc_register(&misc);
//內存分配
buffer = (unsigned char *)kmalloc(PAGE_SIZE,GFP_KERNEL);
//將該段內存設置為保留
SetPageReserved(virt_to_page(buffer));
return ret;
}
static void __exit dev_exit(void)
{
//注銷設備
misc_deregister(&misc);
//清除保留
ClearPageReserved(virt_to_page(buffer));
//釋放內存
kfree(buffer);
}
module_init(dev_init);
module_exit(dev_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("LKN@SCUT");
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應用程序：
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <linux/fb.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/ioctl.h>
#define PAGE_SIZE 4096
int main(int argc , char *argv[])
{
int fd;
int i;
unsigned char *p_map;
//打開設備
fd = open("/dev/mymap",O_RDWR);
if(fd < 0)
{
printf("open fail\n");
exit(1);
}
//內存映射
p_map = (unsigned char *)mmap(0, PAGE_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED,fd, 0);
if(p_map == MAP_FAILED)
{
printf("mmap fail\n");
goto here;
}
//打印映射後的內存中的前10個字節內容
for(i=0;i<10;i++)
printf("%d\n",p_map[i]);
here:
munmap(p_map, PAGE_SIZE);
return 0;
}
先加載驅動後執行應用程序，用戶空間打印如下：
