深入理解mmap

时间：2021-07-02 06:51:28

关键字： mmap Linux 驱动代码

手机看文章

扫描二维码
随时随地手机看文章

[导读]我们知道，linux系统中用户空间和内核空间是隔离的，用户空间程序不能随意的访问内核空间数据，只能通过中断或者异常的方式进入内核态

1.开场白

环境：处理器架构：arm64内核源码：linux-5.11ubuntu版本：20.04.1代码阅读工具：vim ctags cscope

我们知道，linux系统中用户空间和内核空间是隔离的，用户空间程序不能随意的访问内核空间数据，只能通过中断或者异常的方式进入内核态，一般情况下，我们使用copy_to_user和copy_from_user等内核api来实现用户空间和内核空间的数据拷贝，但是像显存这样的设备如果也采用这样的方式就显的效率非常底下，因为用户经常需要在屏幕上进行绘制，要消除这种复制的操作就需要应用程序直接能够访问显存，但是显存被映射到内核空间，应用程序是没有访问权限的，如果显存也能同时映射到用户空间那就不需要拷贝操作了，于是字符设备中提供了mmap接口，可以将内核空间映射的那块物理内存再次映射到用户空间，这样用户空间就可以直接访问不需要任何拷贝操作，这就是我们今天要说的0拷贝技术。
下面是正常情况下用户空间和内核空间数据访问图示：

2. 体验一下

首先我们通过一个例子来感受一下：
驱动代码：
注：驱动代码中使用misc框架来实现字符设备，misc框架会处理如创建字符设备，创建设备等通用的字符设备处理，我们只需要关心我们的实际的逻辑即可（内核中大量使用misc设备框架来使用字符设备操作集如ioctl接口，像实现系统虚拟化kvm模块，实现安卓进程间通信的binder模块等）。
0copy_demo.c
#include
#include
#include
#include
#include
#define MISC_DEV_MINOR 5
static char *kbuff;
static ssize_t misc_dev_read(struct file *filep, char __user *buf, size_t count, loff_t *offset)
{
int ret;
size_t len = (count > PAGE_SIZE ? PAGE_SIZE : count);
pr_info("###### %s:%d kbuff:%s ######\n", __func__, __LINE__, kbuff);
ret = copy_to_user(buf, kbuff, len);  //这里使用copy_to_user  来进程内核空间到用户空间拷贝
return len - ret;
}
static ssize_t misc_dev_write(struct file *filep, const char __user *buf, size_t count, loff_t *offset)
{
pr_info("###### %s:%d ######\n", __func__, __LINE__);
return 0;
}
static int misc_dev_mmap(struct file *filep, struct vm_area_struct *vma)
{
int ret;
unsigned long start;
start = vma->vm_start;
ret =  remap_pfn_range(vma, start, virt_to_phys(kbuff) >> PAGE_SHIFT,
PAGE_SIZE, vma->vm_page_prot); //使用remap_pfn_range来映射物理页面到进程的虚拟内存中  virt_to_phys(kbuff) >> PAGE_SHIFT作用是将内核的虚拟地址转化为实际的物理地址页帧号  创建页表的权限为通过mmap传递的 vma->vm_page_prot   映射大小为1页
return ret;
}
static long misc_dev_ioctl(struct file *filep, unsigned int cmd, unsigned long args)
{
pr_info("###### %s:%d ######\n", __func__, __LINE__);
return 0;
}
static int misc_dev_open(struct inode *inodep, struct file *filep)
{
pr_info("###### %s:%d ######\n", __func__, __LINE__);
return 0;
}
static int misc_dev_release(struct inode *inodep, struct file *filep)
{
pr_info("###### %s:%d ######\n", __func__, __LINE__);
return 0;
}
static struct file_operations misc_dev_fops = {
.open = misc_dev_open,
.release = misc_dev_release,
.read = misc_dev_read,
.write = misc_dev_write,
.unlocked_ioctl = misc_dev_ioctl,
.mmap = misc_dev_mmap,
};
static struct miscdevice misc_dev = {
MISC_DEV_MINOR,
"misc_dev",