30分钟搞懂Linux内核内存映射，值得大神们收藏

一、内存映射基础知识

1、内核地址映射模型

比如：X86CPU采用段页式地址映射模型，进程代码地址为逻辑地址，经过段页式地址映射之后，才能够真正访问物理内存。32位Linux内核地址空间划分：0GB--3GB为用户空间，3GB--4GB为内核空间。32位和64位内核地址空间划分是不同的。具体空间表示如下：

2、内核高端内存

比如：当内核模块代码或络访问内存时，代码中的地址为逻辑地址，而且对应到真正的物理内存地址，需要地址和它一对一的映射，假设：逻辑地址0xc0000003对应的物理地址为0x3。内核逻辑地址空间访问为0xc0000000--0xFFFFFFFF，那么对应的物理内存范围为0x0--0x40000000。即只能访问1GB物理内存。假设我们的电脑8GB物理内存，那么内核就只能访问前面1GB物理内存，剩下7GB物理内存它无法访问，因为内核的地址空间已经全部映射到物理内存地址范围0x--0x40000000。

Linux将内核地址空间划分为三部分：
ZONE_DMA/ZONE_NORMAL/ZONE_HIGHMEM。高端内存HIGH_MEM地址空间范围为0xF8000000--0xFFFFFFFF（896MB-1024MB）。针对高端内存的最基本思想：借一段地址空间，建立临时地址映射，用完后释放，达到此段地址空间可以循环使用，访问所有物理内存。

3、内存映射

内存映射是在进程的虚拟地址空间中创建一个映射，可分为两种：

A、文件映射（文件支持的内存映射，把文件的一个区间映射到进程的虚拟地址空间，数据源是存储设备上文件）；

B、匿名映射（没有文件支持的内存映射，把物理内存映射到进程的虚拟地址空间，没有数据源）。通常把文件映射的物理页称为文件页，把匿名映射的物理页称为匿名页。

4、根据修改是否对其他进程可见和是否传递到底层文件，内存映射分为共享映射和私有映射。

A、共享映射：修改数据时映射相同区域的其他进程可以看见，如果是文件支持的映射，修改会传递到底层文件。

B、私有映射：第一次修改数据时会从数据源复制一个副本，然后修改副本，其他进程看不见，不影响我们的数据源。

两个进程可以使用共享的文件映射实现共享内存。匿名映射通常为私有映射，共享的匿名映射只可能出现在父进程和子进程之间。在进程的虚拟地址空间中，代码段和数据段是私有的文件映射，未初始化数据段、堆栈是私有的匿名映射。

5、内存映射原理机制：

1、创建内存映射的时，在进程的用户虚拟地址空间中分配一个虚拟内存区域（vm_area_struct）；

2、Linux内核采用延迟分配物理内存的策略，在进程第一次访问虚拟页的时候，产生缺页异常，如果是文件映射，那么分配物理页，把文件指定区间的数据读到物理页中，然后在页表中把虚拟页映射到物理页；如果你是匿名映射，那么分配物理页，然后在页表中把虚拟页映射到物理页。

二、应用层API系统调用

Linux内核当中内存管理子系统提供给我们用户层的系统调用API函数，具体如下：

头文件：#include 1、用来创建内存映射

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

2、用来删除内存映射

int munmap(void *addr, size_t length);

3、专用用来扩大或缩小已经存在的内存映射，可能同时移动

#define _GNU_SOURCE /* See feature_test_macros(7) */ #include void *mremap(void *old_address, size_t old_size, size_t new_size, int flags, ... /* void *new_address */);

4、用来设置堆的上界

#include

int brk(void *addr);

5、用来创建非线性的文件映射，即文件区域和虚拟地址空间之间的映射不是线性关系，现在已不用

#define _GNU_SOURCE /* See feature_test_macros(7) */ #include

int remap_file_pages(void *addr, size_t size, int prot, size_t pgoff, int flags);

6、用来设置虚拟内存区域的访问权限

#include

int mprotect(void *addr, size_t len, int prot);

在Linux空间中可以使用如下函数：

1、把内存的物理页映射到进程的虚拟地址空间，这个函数用处是：实现进程和内核共享内存。

int remap_pfn_range (struct vm_area_struct *vma,unsigned long addr,unsigned long pfn,unsigned long size,pgprot_t prot);

2、把外设寄存器的物理地址映射到进程的虚拟地址空间，进程可能直接访问外设寄存器。

int io_remap_page_range(struct vm_area_struct *vma, unsigned long virt_addr,unsigned long phys_addr, unsigned long size,pgprot_t prot);

应用层当中应用程序通过使用C标准库提供的函数malloc()申请内存。glibc库的内存分配器ptmalloc使用brk或mmap向内核以页为单位申请虚拟内存，然后把页划分成小内存块分配给应用程序。默认的阈值为128KB，如果应用程序申请的内存长度小于阈值，ptmalloc分配器使用brk向内核申请虚拟内存，否则ptmalloc分配器使用mmap内内核申请虚拟内存。应用程序可以直接使用mmap向内核申请虚拟内存。

三、Linux内核常用数据结构

1、进程描述符

2、内存描述符

3、虚拟内存区域

4、mmap系统调用

a.进程创建匿名的内存映射，把内存的物理页映射到进程的虚拟地址空间；

b.进程把文件映射到进程的虚拟地址空间，可以像访问内存一样访问文件，不需要调用系统调用read()/write()访问文件，从面避免用户模式和内核模式之间的切换，提高读写文件的速度。

c.两个进程针对同一个文件创建共享的内存映射，实现共享会败在。

函数原型：

#include void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset);

参数如下：

addr：起始虚拟地址，如果addr为0，内核选择虚拟地址。如果addr为非0，内核把这个参数作为提示，在附近选择虚拟地址。

length：映射的长度，单位是字节。

prot：保护位，具体参数如下：

PROT_EXEC：页可执行 PROT_READ：页可读 PROT_WRITE：页可写 PROT_NONE：面不可访问

flags：标志，具体参数如下：

MAP_SHARED：共享映射

MAP_PRIVATE：私有映射

MAP_ANONYMOUS：匿名映射

MAP_FIXED：固定映射

MAP_HUGETLB：使用巨型页

MAP_LOCKED：把页锁在内存中

fd：文件描述符

offset：偏移，单位是字节，必须是页长度的整数倍。

返回值：

返回起始虚拟地址，否则返回负的错误号。

四、创建/删除内存映射

1、创建内存映射

C标准库封装函数mmap()用来创建内存映射，内核提花POSIX标准定义的系统调用mmap，内核系统调用sys_mmap()，具体操作流程如下：

函数sys_mmap_pgoff执行流程视图如下：

a.如果是创建文件映射，根据文件描述符在进程的打开文件表中找到file实例；

b.如果是创建匿名巨型页映射，在hugetlbfs文件系统中创建文件“anon_hugepage"，并且创建此文件 的一个打开实例file；

c.调用vm_mmap_pgoff进行处理。