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mmap的使用(应用程序使用与模块调用的分别实现)

时间:2009-08-01  来源:red_eyed_hare

功能描述:    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。     基于文件的映射,在mmap和munmap执行过程的任何时刻,被映射文件的st_atime可能被更新。如果st_atime字段在前述的情况下没有得到更新,首次对映射区的第一个页索引时会更新该字段的值。用PROT_WRITE 和 MAP_SHARED标志建立起来的文件映射,其st_ctime 和 st_mtime在对映射区写入之后,但在msync()通过MS_SYNC 和 MS_ASYNC两个标志调用之前会被更新。  用法:  #include <sys/mman.h>  void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags,  int fd, off_t offset);  int munmap(void *start, size_t length);  参数:  start:映射区的开始地址。  length:映射区的长度。  prot:期望的内存保护标志,不能与文件的打开模式冲突。是以下的某个值,可以通过or运算合理地组合在一起  PROT_EXEC //页内容可以被执行  PROT_READ //页内容可以被读取  PROT_WRITE //页可以被写入  PROT_NONE //页不可访问  flags:指定映射对象的类型,映射选项和映射页是否可以共享。它的值可以是一个或者多个以下位的组合体  MAP_FIXED //使用指定的映射起始地址,如果由start和len参数指定的内存区重叠于现存的映射空间,重叠部分将会被丢弃。如果指定的起始地址不可用,操作将会失败。并且起始地址必须落在页的边界上。  MAP_SHARED //与其它所有映射这个对象的进程共享映射空间。对共享区的写入,相当于输出到文件。直到msync()或者munmap()被调用,文件实际上不会被更新。  MAP_PRIVATE //建立一个写入时拷贝的私有映射。内存区域的写入不会影响到原文件。这个标志和以上标志是互斥的,只能使用其中一个。  MAP_DENYWRITE //这个标志被忽略。  MAP_EXECUTABLE //同上  MAP_NORESERVE //不要为这个映射保留交换空间。当交换空间被保留,对映射区修改的可能会得到保证。当交换空间不被保留,同时内存不足,对映射区的修改会引起段违例信号。  MAP_LOCKED //锁定映射区的页面,从而防止页面被交换出内存。  MAP_GROWSDOWN //用于堆栈,告诉内核VM系统,映射区可以向下扩展。  MAP_ANONYMOUS //匿名映射,映射区不与任何文件关联。  MAP_ANON //MAP_ANONYMOUS的别称,不再被使用。  MAP_FILE //兼容标志,被忽略。  MAP_32BIT //将映射区放在进程地址空间的低2GB,MAP_FIXED指定时会被忽略。当前这个标志只在x86-64平台上得到支持。  MAP_POPULATE //为文件映射通过预读的方式准备好页表。随后对映射区的访问不会被页违例阻塞。  MAP_NONBLOCK //仅和MAP_POPULATE一起使用时才有意义。不执行预读,只为已存在于内存中的页面建立页表入口。  fd:有效的文件描述词。如果MAP_ANONYMOUS被设定,为了兼容问题,其值应为-1。  offset:被映射对象内容的起点。  返回说明:  成功执行时,mmap()返回被映射区的指针,munmap()返回0。失败时,mmap()返回MAP_FAILED[其值为(void *)-1],munmap返回-1。errno被设为以下的某个值  EACCES:访问出错  EAGAIN:文件已被锁定,或者太多的内存已被锁定  EBADF:fd不是有效的文件描述词  EINVAL:一个或者多个参数无效  ENFILE:已达到系统对打开文件的限制  ENODEV:指定文件所在的文件系统不支持内存映射  ENOMEM:内存不足,或者进程已超出最大内存映射数量  EPERM:权能不足,操作不允许  ETXTBSY:已写的方式打开文件,同时指定MAP_DENYWRITE标志  SIGSEGV:试着向只读区写入  SIGBUS:试着访问不属于进程的内存区   以下介绍mmap实现程序,程序都在Linux red hat 9.0下顺利运行: #ifndef __KERNEL__
#  define __KERNEL__
#endif
#ifndef MODULE
#  define MODULE
#endif
#include <linux/config.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>   /* printk() */
#include <linux/slab.h>   /* kmalloc() */
#include <linux/fs.h>       /* everything... */
#include <linux/errno.h>    /* error codes */
#include <linux/types.h>    /* size_t */
#include <asm/page.h>
MODULE_LICENSE("GPL");
#include "sysdep.h"
#ifdef LINUX_20
#  error "This module can't run with Linux-2.0"
#endif
static int simple_major = 0;
MODULE_PARM(simple_major, "i");
MODULE_AUTHOR("baoqunmin");
int simple_open (struct inode *inode, struct file *filp);
int simple_release(struct inode *inode, struct file *filp);
int simple_remap_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma);
int simple_nopage_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma);
/* Device 0 uses remap_page_range */
struct file_operations simple_remap_ops = {
    open:    simple_open,
    release: simple_release,
    mmap:    simple_remap_mmap,
};
/* Device 1 uses nopage */
struct file_operations simple_nopage_ops = {
    open:    simple_open,
    release: simple_release,
    mmap:    simple_nopage_mmap,
};
#define MAX_SIMPLE_DEV 2 struct file_operations *simple_fops[MAX_SIMPLE_DEV] = {
    &simple_remap_ops,
    &simple_nopage_ops,
};
int simple_open (struct inode *inode, struct file *filp)
{
    unsigned int dev = MINOR(inode->i_rdev);
    if (dev >= MAX_SIMPLE_DEV)
        return -ENODEV;
    filp->f_op = simple_fops[dev];
    MOD_INC_USE_COUNT;
    printk("simple is open\n");
    return 0;
}
int simple_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    MOD_DEC_USE_COUNT;
 printk("simple is close\n");
    return 0;
}
void simple_vma_open(struct vm_area_struct *vma)
{ MOD_INC_USE_COUNT; }
void simple_vma_close(struct vm_area_struct *vma)
{ MOD_DEC_USE_COUNT; }
static struct vm_operations_struct simple_remap_vm_ops = {
    open:  simple_vma_open,
    close: simple_vma_close,
};
int simple_remap_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
{
    unsigned long offset = VMA_OFFSET(vma);
    if (offset >= __pa(high_memory) || (filp->f_flags & O_SYNC))
        vma->vm_flags |= VM_IO;
    vma->vm_flags |= VM_RESERVED;
if (remap_page_range(vma,vma->vm_start, offset, vma->vm_end-vma->vm_start,vma->vm_page_prot)
 )
        return -EAGAIN;
    vma->vm_ops = &simple_remap_vm_ops;
    simple_vma_open(vma);
printk("good morning baoqunmin\n");
    return 0;
}
struct page *simple_vma_nopage(struct vm_area_struct *vma,
                unsigned long address, int write_access)
{
    struct page *pageptr;
    unsigned long physaddr = address - vma->vm_start + VMA_OFFSET(vma);
    pageptr = virt_to_page(__va(physaddr));
    get_page(pageptr);
    printk("good morning bao\n");
    return pageptr;
}
#ifdef LINUX_22 /* wrapper for 2.2, which had a different nopage retval */
unsigned long simple_vma_nopage_22(struct vm_area_struct * area,
                unsigned long address, int write_access)
{
    return (unsigned long) simple_vma_nopage(area, address, write_access);
}
#define simple_vma_nopage simple_vma_nopage_22
#endif  /* LINUX_22 */     
static struct vm_operations_struct simple_nopage_vm_ops = {
    open:    simple_vma_open,
    close:   simple_vma_close,
    nopage:  simple_vma_nopage,
};
int simple_nopage_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
{
    unsigned long offset = VMA_OFFSET(vma);
    if (offset >= __pa(high_memory) || (filp->f_flags & O_SYNC))
        vma->vm_flags |= VM_IO;
    vma->vm_flags |= VM_RESERVED;
    vma->vm_ops = &simple_nopage_vm_ops;
    simple_vma_open(vma);
    return 0;
}
static int simple_init(void)
{
    int result;
    SET_MODULE_OWNER(&simple_remap_ops);
    SET_MODULE_OWNER(&simple_nopage_ops);
    result = register_chrdev(simple_major, "simple", &simple_remap_ops);
    if (result < 0)
    {
        printk(KERN_WARNING "simple: unable to get major %d\n", simple_major);
        return result;
    }
    if (simple_major == 0)
        simple_major = result;
   printk("simple ok!\n");
    return 0;
}
static void simple_cleanup(void)
{
    unregister_chrdev(simple_major, "simple");
 printk("simple close\n");
}
module_init(simple_init);
module_exit(simple_cleanup);
上面给出"sysdep.h"头文件,此程序在Linux设备驱动编程一书中给出,读者可以轻松找到,由于代码多,这就不给出了。 Makefile文件如下所示: CC=gcc
MODCFLAGS := -Wall -DMODULE -D__KERNEL__ -DLINUX -I/usr/src/linux-2.4.20-8/include
mmap.o :mmap.c
 $(CC) $(MODCFLAGS) -c mmap.c
 echo insmod mmap.o to turn it on
 echo rmmod mmap to turn it off
 echo
加载文件如下(bao_load.sh): #!/bin/bash
#bao.sh
make
/sbin/insmod mmap.o
module="simple"
device="simple"
cat /proc/devices
#get the major of the module
major=`cat /proc/devices | awk "\\$2==\"$module\" {print \\$1}"`
mknod /dev/${device} c $major 0
echo "finish"
卸载文件如下(bao_unload.sh): #!/bin/bash
#bao.sh
rm -i /dev/simple
/sbin/rmmod mmap
cat /proc/devices
echo "finish"
用户测试程序如下(tmmap.c): #include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
int main(void)
{
  int fd;
  int i=0;
  unsigned int *vadr;
  unsigned int *kadr;
  int len =  getpagesize();   if ((fd=open("/dev/simple", O_RDWR|O_SYNC))<0)
  {
      perror("open");
      exit(-1);
  }
  vadr=(int*)mmap(NULL, len , PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED , fd , 0);
 
  if (vadr == MAP_FAILED)
  {
          perror("mmap");
          exit(-1);
  }
  for(i=0;i<(len/4);i++)
{
 (*(vadr+i))=i;
}
  printf("initialize over\n");
  munmap(vadr,len);
  kadr=(int*)mmap(NULL, len, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
  if (kadr == MAP_FAILED)
  {
          perror("mmap");
          exit(-1);
  }
for(i=0;i<(len/4);i++)
{
 printf("the number is %d\n",(*(vadr+i)));
}
  munmap(kadr,len);
 
  close(fd);
  return(0);
}
应用程序测试,运行步骤如下: 1.在终端直接运行 sh bao_load.sh或./bao_load.sh加载设备 2.gcc -o tmmap tmmap.c 3../tmmap 4.dmesg 查看内核打印情况 5.sh bao_unload.sh 卸载设备   内核模块调用程序如下(bao.c):   #include   <linux/module.h>  
  #define   __KERNEL_SYSCALLS__  
  #ifdef   MODVERSIONS  
  #include   <linux/modversion.h>  
  #endif  
  #include <linux/config.h>
  #include   <linux/smp_lock.h>  
  #include   <linux/sched.h>  
  #include   <linux/types.h>
  #include   <linux/stat.h>
  #include   <asm/mman.h>
  #include   <linux/file.h>  
  #include   <linux/unistd.h>  
  #include   <asm/io.h>  
  #include   <linux/fs.h>
  #include   <linux/kernel.h>  
  #include   <asm/fcntl.h>  
  #include   <asm/uaccess.h>  
  #include   <asm/errno.h>
  #include   <linux/syscall.h>
  #ifndef MAP_FAILED
  #define MAP_FAILED ((void *)-1)
  #endif
  static inline _syscall6(void*,mmap2,void*,addr,size_t,len,int,prot,int,flags,int,fd,off_t,offset);
  static inline _syscall2(int, munmap, int*, a, int, b);
  MODULE_LICENSE("GPL");
  #define  BEGIN_KMEM { mm_segment_t  old_fs  =  get_fs();  set_fs(get_ds());  
  #define  END_KMEM  set_fs(old_fs);  }  
   
  int   errno;  
  int   init_module(void){  
  int   fd;
  size_t len =100;
  int i=0;
  unsigned int *vadr;
  unsigned int *kadr;
  printk("<1>Hello,world\n");  
  BEGIN_KMEM;  
  if ((fd=open("/dev/simple", O_RDWR|O_SYNC,0))<0)
  {
      printk("open failed\n");
      return 1;
  }
  vadr=(int*)mmap2(NULL,len,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
 
  if (vadr == MAP_FAILED)
  {
          printk("mmap\n");
          return 1;
  }
  for(i=0;i<(len/4);i++)
  {
 (*(vadr+i))=i;
  }
  printk("initialize over\n");
  munmap(vadr,len);
  kadr=(int*)mmap2(NULL, len, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
  if (kadr == MAP_FAILED)
  {
          printk("mmap\n");
          return 1;
  }
  for(i=0;i<(len/4);i++)
  {
 printk("the number is %d\n",(*(vadr+i)));
  }
  munmap(kadr,len);
  close(fd);
  END_KMEM;  
  return   0;  
  }  
  void   cleanup_module(void){  
  printk("<1>Goodbye   cruel   word\n");  
  }
makefile文件如下: CC=gcc
MODCFLAGS := -Wall -DMODULE -D__KERNEL__ -DLINUX -I/usr/src/linux-2.4.20-8/include
bao.o :bao.c
 $(CC) $(MODCFLAGS) -c bao.c
 echo insmod bao.o to turn it on
 echo rmmod bao to turn it off
 echo
模块调用测试步骤如下: 1.在终端直接运行 sh bao_load.sh或./bao_load.sh加载设备 2.进入bao.c文件目录下 make 3./sbin/insmod bao.o加载模块 4.dmesg 查看内核打印情况 5./sbin/rmmod bao卸载模块 5.sh bao_unload.sh 卸载设备 以上完成了用户程序调用mmap和内核模块调用mmap,供大家参考!  
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