深入理解mmap

時(shí)間：2021-07-02 06:51:28

關(guān)鍵字： mmap Linux 驅(qū)動(dòng)代碼

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[導(dǎo)讀]我們知道，linux系統(tǒng)中用戶空間和內(nèi)核空間是隔離的，用戶空間程序不能隨意的訪問內(nèi)核空間數(shù)據(jù)，只能通過中斷或者異常的方式進(jìn)入內(nèi)核態(tài)

1.開場(chǎng)白

環(huán)境：處理器架構(gòu)：arm64內(nèi)核源碼：linux-5.11ubuntu版本：20.04.1代碼閱讀工具：vim ctags cscope

我們知道，linux系統(tǒng)中用戶空間和內(nèi)核空間是隔離的，用戶空間程序不能隨意的訪問內(nèi)核空間數(shù)據(jù)，只能通過中斷或者異常的方式進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，一般情況下，我們使用copy_to_user和copy_from_user等內(nèi)核api來實(shí)現(xiàn)用戶空間和內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)拷貝，但是像顯存這樣的設(shè)備如果也采用這樣的方式就顯的效率非常底下，因?yàn)橛脩艚?jīng)常需要在屏幕上進(jìn)行繪制，要消除這種復(fù)制的操作就需要應(yīng)用程序直接能夠訪問顯存，但是顯存被映射到內(nèi)核空間，應(yīng)用程序是沒有訪問權(quán)限的，如果顯存也能同時(shí)映射到用戶空間那就不需要拷貝操作了，于是字符設(shè)備中提供了mmap接口，可以將內(nèi)核空間映射的那塊物理內(nèi)存再次映射到用戶空間，這樣用戶空間就可以直接訪問不需要任何拷貝操作，這就是我們今天要說的0拷貝技術(shù)。
下面是正常情況下用戶空間和內(nèi)核空間數(shù)據(jù)訪問圖示：

2. 體驗(yàn)一下

首先我們通過一個(gè)例子來感受一下：
驅(qū)動(dòng)代碼：
注：驅(qū)動(dòng)代碼中使用misc框架來實(shí)現(xiàn)字符設(shè)備，misc框架會(huì)處理如創(chuàng)建字符設(shè)備，創(chuàng)建設(shè)備等通用的字符設(shè)備處理，我們只需要關(guān)心我們的實(shí)際的邏輯即可（內(nèi)核中大量使用misc設(shè)備框架來使用字符設(shè)備操作集如ioctl接口，像實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)虛擬化kvm模塊，實(shí)現(xiàn)安卓進(jìn)程間通信的binder模塊等）。
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);  //這里使用copy_to_user  來進(jìn)程內(nèi)核空間到用戶空間拷貝
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來映射物理頁面到進(jìn)程的虛擬內(nèi)存中  virt_to_phys(kbuff) >> PAGE_SHIFT作用是將內(nèi)核的虛擬地址轉(zhuǎn)化為實(shí)際的物理地址頁幀號(hào)  創(chuàng)建頁表的權(quán)限為通過mmap傳遞的 vma->vm_page_prot   映射大小為1頁
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",