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Linux内核态和用户态共享内存
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Linux内核态和用户态共享内存 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（）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 pfn: 要映射的物理地址所在的物理页帧号，可将物理地址>>PAGE_SHIFT得到。 size: 要映射的区域的大小。 prot: VMA的保护属性。 int memdev_mmap(struct file*filp, struct vm_area_struct *vma) { Vma->vm_flags |= VM_IO; Vma->vm_flags |= VM_RESERVED; if (remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, virt_to_phys(dev- >data)>> PAGE_SHIFT, size, vma->vm_page_prot)) return -EAGAIN; return 0; } dev- >data就是传给用户态的共享数据。7、mmap设备方法实例 1）memdev.源码 #ifndef _MEMDEV_H_ #define _MEMDEV_H_ #ifndef MEMDEV_MAJOR #define MEMDEV_MAJOR 0 /*预设的mem的主设备号*/ #endif #ifndef MEMDEV_NR_DEVS #define MEMDEV_NR_DEVS 2 /*设备数*/ #endif #ifndef MEMDEV_SIZE #define MEMDEV_SIZE 4096 #endif /*mem设备描述结构体*/ struct mem_dev { char *data; unsigned long size; }; #endif /* _MEMDEV_H_ */ 2）memdev.c源码 #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include #include "memdev.h" static int mem_major = MEMDEV_MAJOR; module_param(mem_major, int, S_IRUGO); struct mem_dev *mem_devp; /*设备结构体指针*/ struct cdev cdev; /*文件打开函数*/ int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp) { struct mem_dev *dev; /*获取次设备号*/ int num = MINOR(inode->i_rdev); if (num >= MEMDEV_NR_DEVS) return -ENODEV; dev = &mem_devp[num]; /*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/ filp->private_data = dev; return 0; } /*文件释放函数*/ int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp) { return 0; } static int memdev_mmap(struct file*filp, struct vm_area_struct *vma) { struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/ vma->vm_flags |= VM_IO; vma->vm_flags |= VM_RESERVED; if (remap_pfn_range(vma,vma->vm_start,virt_to_phys(dev->data)>>PAGE_SHIFT, vma->vm_end - vma->vm_start, vma->vm_page_prot)) return -EAGAIN; return 0; } /*文件操作结构体*/ static const struct file_operations mem_fops = { .owner = THIS_MODULE, .open = mem_open, .release = mem_release, .mmap = memdev_mmap, }; /*设备驱动模块加载函数*/ static int memdev_init(void) { int result; int i; dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0); /* 静态申请设备号*/ if (mem_major) result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev"); else /* 动态分配设备号 */ { result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev"); mem_major = MAJOR(devno); } if (result < 0) return result; /*初始化cdev结构*/ cdev_init(&cdev, &mem_fops); cdev.owner = THIS_MODULE; cdev.ops = &mem_fops; /* 注册字符设备 */ cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS); /* 为设备描述结构分配内存*/ mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL); if (!mem_devp) /*申请失败*/ { result = - ENOMEM; goto fail_malloc; } memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev)); /*为设备分配内存*/ for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++) { mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE; mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL); memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE); } return 0; fail_malloc: unregister_chrdev_region(devno, 1); return result; } /*模块卸载函数*/ static void memdev_exit(void) { cdev_del(&cdev); /*注销设备*/ kfree(mem_devp); /*释放设备结构体内存*/ unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/ } MODULE_AUTHOR("yinjiabin); MODULE_LICENSE("GPL"); module_init(memdev_init); module_exit(memdev_exit);3）测试程序源码 #include #include #include #include #include #include int main() { int fd; char *start; //char buf[100]; char *buf; /*打开文件*/ fd = open("/dev/memdev0",O_RDWR); buf = (char *)malloc(100); memset(buf, 0, 100); start=mmap(NULL,100,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0); /* 读出数据 */ strcpy(buf,start); sleep (1); printf("buf 1 = %s\n",buf); /* 写入数据 */ strcpy(start,"Buf Is Not Null!"); memset(buf, 0, 100); strcpy(buf,start); sleep (1); printf("buf 2 = %s\n",buf); munmap(start,100); /*解除映射*/ free(buf); close(fd); return 0; } int munmap( void * addr, size_t len )该调用在进程地址空间中解除一个映射关系，addr是调用mmap()时返回的地址，len是映射区的大小。当映射关系解除后，对原来映射地址的访问将导致段错误发生。 int msync ( void * addr , size_t len, int flags)一般说来，进程在映射空间的对共享内容的改变并不直接写回到磁盘文件中，往往在调用munmap（）后才执行该操作。可以通过调用msync()实现磁盘上文件内容与共享内存区的内容一致。 有个地方查了很多资料，没有详细的解释，在mmap成功以后，关闭文件描述符close(fd). 共享内存区还是存在的，但是数据还是受保护的吗？ |
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