4. mmap 系统调用原理：原型、映射类型与映射标志

mmap 是 Linux 内核提供给用户空间最强大的内存管理接口之一。它允许用户程序将设备内存、文件内容或匿名内存直接映射到进程的虚拟地址空间，从而绕过传统的 read/write 系统调用，实现零拷贝的高效数据访问。理解 mmap 的原型、映射类型和映射标志，是编写 mmap 驱动的基础。

4.1 mmap 函数原型

mmap 系统调用的用户空间接口定义在 <sys/mman.h> 中，其原型如下：

#include <sys/mman.h>

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

参数说明：

4.2 映射类型：文件映射 vs 匿名映射

mmap 根据映射的数据来源分为两种基本类型：

4.2.1 文件映射

• 定义： 将文件或设备内存的某一段映射到进程地址空间。
• 关键参数： fd 必须是一个有效的文件描述符，offset 指定文件内的起始位置。
• 驱动视角： 设备驱动通过实现 file_operations 中的 .mmap 方法，将设备物理地址映射给用户空间。
• 典型应用： 帧缓冲设备、DMA 缓冲区、硬件寄存器访问。

4.2.2 匿名映射

• 定义： 映射一块不与任何文件关联的物理内存。
• 关键参数： fd 设置为 -1，flags 中必须包含 MAP_ANONYMOUS。
• 驱动视角： 匿名映射通常用于用户空间进程间通信（IPC），驱动中较少直接使用。
• 典型应用： malloc() 内部实现、共享内存 shmget、栈自动扩展。

4.3 映射标志：MAP_SHARED vs MAP_PRIVATE

映射标志决定了多个进程映射同一区域时的可见性和写传播行为，这是 mmap 语义的核心。

4.3.1 MAP_SHARED（共享映射）

• 行为： 对映射区域的写操作会直接修改底层文件或设备内存，并且对其他映射了同一区域的进程可见。
• 内核机制： 页表项设置为可写且共享，缺页时建立的物理页直接关联到文件页缓存或设备内存。
• 驱动要求： 设备驱动 mmap 必须使用 MAP_SHARED，否则用户空间的写操作无法到达硬件寄存器。
• 同步保证： 写操作对其他进程立即可见（取决于缓存一致性）。

4.3.2 MAP_PRIVATE（私有映射）

• 行为： 对映射区域的写操作会触发“写时复制”（Copy-on-Write），创建一份私有副本，修改不写回底层文件。
• 内核机制： 初始时页表项设置为只读，第一次写操作触发缺页中断，内核分配新物理页并复制内容。
• 驱动限制： 设备驱动 mmap 禁止使用 MAP_PRIVATE，因为写时复制会导致用户空间操作的不是原始物理地址。
• 典型用途： 程序加载、动态库映射（避免修改影响其他进程）。

4.4 映射标志组合速查表

4.5 驱动开发中的 mmap 标志检查

在设备驱动的 .mmap 回调函数中，必须验证用户空间传递的映射标志是否符合要求。以下是一个典型的内核驱动检查代码片段：

static int my_device_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
{
    // 检查映射标志：必须为共享映射
    if (!(vma->vm_flags & VM_SHARED)) {
        pr_err("mmap: MAP_PRIVATE is not supported\n");
        return -EINVAL;
    }

    // 检查保护标志：至少需要读权限
    if (!(vma->vm_flags & VM_READ)) {
        pr_err("mmap: PROT_READ is required\n");
        return -EACCES;
    }

    // 设置映射区域为 IO 内存（禁止缓存）
    vma->vm_page_prot = pgprot_noncached(vma->vm_page_prot);

    // 调用 remap_pfn_range 建立页表映射
    if (remap_pfn_range(vma, vma->vm_start,
                        phys_addr >> PAGE_SHIFT,
                        vma->vm_end - vma->vm_start,
                        vma->vm_page_prot)) {
        pr_err("mmap: remap_pfn_range failed\n");
        return -EAGAIN;
    }

    return 0;
}