mmap

#Linux用户态开发

1 目录

2 函数原型及用户态调用

mmap即内存映射技术，其可以将文件映射到程序的内存空间中。而在Linux中，万物皆文件。因此mmap实际上并不只是一个内存映射函数，而是可以将任何在file_operations结构体中提供了 mmap 实现的fd映射到用户空间中。

用户态 mmap 常用的fd来源(或 mmap 能提供的功能)有：

  • 常规文件
  • 设备文件
  • 共享内存
  • 匿名映射

至于 file_operations 中的 mmap 实现，其有如下原理概述：

  • fd的 mmap 本质是将内核管理的一片内存区域映射到用户空间。
  • 无论用户操作的fd是常规文件、字符设备、块设备、匿名映射、共享内存还是虚拟设备，其内核提供的 mmap 后端实现一定是将内核管理的一片内存映射到用户空间中，而无法不使用内核管理的内存。

mmap的函数原型为：

#include <sys/mman.h>

void *mmap(void addr[.length], size_t length, int prot, int flags,
    int fd, off_t offset);

int munmap(void addr[.length], size_t length);

上述参数中：

  • 参数：
    • addr ：允许用户指定一片内存，若用户不指定则该函数会分配并返回一个地址。
    • length ：用户指定的内存区域大小
    • prot ：用户想要获取的内存权限，包含：
      • PROT_READ
      • PROT_WRITE
      • PROT_EXEC ，如映射JIT编译生成的机器码
      • PROT_NONE ，禁止访问，访问时会触发 SIGSEGV
    • flags ：
      • 核心标志，选一个使用：
        • MAP_SHARED ：映射可被多进程共享，对fd的修改
        • MAP_PRIVATE ：对于文件系统，该选项会创建写时复制的副本(或私有映射)，随后通过mmap的内存区域对文件的修改不会同步到原文件。对于设备文件，驱动通常不支持。
      • 可选标志，可组合使用：
        • MAP_ANONYMOUS ：映射匿名内存(不需要文件)，此时 fd 应设为 -1，offset 为 0。
        • MAP_FIXED ：强制使用指定的 addr ，可能覆盖已有映射。
        • MAP_LOCKED ：锁定页面在内存中(避免换出到交换分区，需权限)
        • MAP_POPULATE ：提前预加载映射的物理内存，跳过按需缺页。
        • MAP_NORESERVE ：不预留交换空间，可能导致内存耗尽时触发 OOM 。
    • fd ：需要操作的文件描述符，需要注意：
      • 当 flags 包含 MAP_ANONYMOUS 时，此时 fd 应设为 -1 。
      • 即使有 fd ，映射的生命周期与文件描述符无关，关闭fd不影响已映射的内存。
    • offset ：从fd的 offset 处开始映射
  • 返回值：
    • 成功时返回映射区域的起始地址，地址可能不等于 addr ，除非明确使用 MAP_FIXED 。成功后可使用 *(addr + offset) 操作内存。
    • 失败时返回 MAP_FAILED ，并设置 errno 。