3. mmap 系统调用原理

mmap 是 Linux 中实现用户空间与内核空间高效数据交换的核心系统调用。它允许用户程序将设备内存或文件直接映射到进程的虚拟地址空间，从而避免传统的 read/write 拷贝开销。在 DMA 缓冲区共享场景中，mmap 是驱动向用户态暴露物理连续内存的标准接口。

3.1 mmap 函数原型与参数

mmap 系统调用的用户态原型定义在 <sys/mman.h> 中：

#include <sys/mman.h>

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

各参数含义如下表：

参数 类型 说明
addr void * 映射起始地址建议值，通常传 NULL 由内核选择
length size_t 映射长度（字节），必须为页大小（4KB）的整数倍
prot int 内存保护标志：PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_EXEC、PROT_NONE
flags int 映射类型与行为：MAP_SHARED、MAP_PRIVATE、MAP_ANONYMOUS 等
fd int 文件描述符（文件映射时有效，匿名映射传 -1）
offset off_t 文件内偏移量，必须为页大小对齐
关键约束：驱动开发中，offset 通常被驱动用于区分不同的 DMA 缓冲区或物理内存区域。用户态传入的 offset 会直接传递给驱动的 mmap 回调函数，驱动据此决定映射哪一段物理内存。

3.2 映射类型：文件映射 vs 匿名映射

mmap 根据 flags 参数分为两大类：

  • 文件映射（File-backed Mapping）：将文件或设备内存映射到进程地址空间。设置 fd 为打开的文件描述符，offset 指定文件内起始位置。驱动设备映射属于此类。
  • 匿名映射（Anonymous Mapping）：不关联任何文件，由内核分配零填充的物理页。设置 flags 包含 MAP_ANONYMOUS，fd 传 -1。常用于进程间共享内存（MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS）或 malloc 内部实现。
特性 文件映射 匿名映射
关联对象 文件或设备 无（内核匿名页）
fd 参数 有效文件描述符 -1
MAP_ANONYMOUS 不设置 必须设置
数据来源 文件内容或设备内存 全零页（写时拷贝）
驱动场景 DMA 缓冲区、帧缓冲、寄存器映射 用户态进程间共享内存
回写行为 MAP_SHARED 时写回文件 无回写（内存匿名）
驱动开发重点：设备驱动使用文件映射方式实现 mmap。用户态通过 open 设备节点获得 fd，然后调用 mmap(fd, ...) 触发驱动的 file_operations.mmap 回调。驱动在该回调中建立用户虚拟地址到物理 DMA 内存的映射关系。

3.3 VMA（虚拟内存区域）结构

每次 mmap 调用成功后，内核会在进程的虚拟地址空间中创建一个 VMA（Virtual Memory Area）。VMA 是描述一段连续虚拟内存区域的内核数据结构，定义在 linux/mm_types.h 中。

3.3.1 VMA 核心字段

字段 类型 说明
vm_start unsigned long VMA 起始虚拟地址
vm_end unsigned long VMA 结束虚拟地址（不含）
vm_flags unsigned long VMA 标志位：读/写/执行/共享/私有等
vm_file struct file * 关联的文件对象（文件映射时有效）
vm_ops const struct vm_operations_struct * VMA 操作函数表（驱动需实现）
vm_private_data void * 驱动私有数据指针

3.3.2 vm_operations_struct 回调

驱动在 mmap 回调中需要设置 vma->vm_ops，指向驱动自定义的操作函数表：

struct vm_operations_struct {
    void (*open)(struct vm_area_struct *vma);       // VMA 被复制时调用
    void (*close)(struct vm_area_struct *vma);      // VMA 被销毁时调用
    vm_fault_t (*fault)(struct vm_fault *vmf);      // 缺页处理（核心回调）
    vm_fault_t (*page_mkwrite)(struct vm_fault *vmf); // 页变为可写时调用
    int (*access)(struct vm_area_struct *vma, unsigned long addr,
                  void *buf, int len, int write);   // 内核访问用户页
};
驱动常见错误：许多初学者在 mmap 回调中直接调用 remap_pfn_range 映射物理内存，却忘记设置 vma->vm_ops。这会导致 VMA 缺少正确的生命周期管理，在进程 fork 或内存回收时出现内核崩溃。对于 DMA 缓冲区映射，至少应实现 open 和 close 回调来管理引用计数。

3.4 mmap 映射流程与 VMA 关系

下图展示了用户态调用 mmap 到驱动建立 VMA 的完整流程：

mmap 系统调用流程与 VMA 创建 用户进程 mmap(fd, ...) sys_mmap() 内核入口 do_mmap() 核心函数 分配 VMA 结构 (vm_area_struct) 驱动 mmap 回调 file_operations.mmap remap_pfn_range() 建立页表映射 VMA 插入进程红黑树 mmap 返回虚拟地址 用户态虚拟地址 直接访问 DMA 内存 VMA 生命周期关键点： 1. do_mmap() 分配 VMA 并设置 vm_file = 设备文件对象 2. 驱动 mmap 回调中设置 vma->vm_ops 和 vma->vm_private_data 3. remap_pfn_range() 建立虚拟地址到物理页的页表项

3.5 驱动 mmap 回调实现要点

驱动中 file_operations.mmap 回调的标准实现模板：

static int my_device_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
{
    struct my_dev *dev = filp->private_data;
    unsigned long offset = vma->vm_pgoff << PAGE_SHIFT;
    unsigned long size = vma->vm_end - vma->vm_start;
    unsigned long pfn;

    // 1. 校验 offset 和 size 合法性
    if (offset + size > dev->dma_buf_size)
        return -EINVAL;

    // 2. 设置 VMA 标志：禁止交换、禁止合并
    vma->vm_flags |= VM_IO | VM_DONTEXPAND | VM_DONTDUMP;

    // 3. 设置 VMA 操作函数表
    vma->vm_ops = &my_vm_ops;
    vma->vm_private_data = dev;

    // 4. 调用 open 回调增加引用计数
    my_vm_ops.open(vma);

    // 5. 建立页表映射
    pfn = virt_to_phys(dev->dma_buf_virt) >> PAGE_SHIFT;
    pfn += (offset >> PAGE_SHIFT);
    if (remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, pfn, size, vma->vm_page_prot))
        return -EAGAIN;

    return 0;
}
VMA 标志位说明：
VM_IO — 标记该 VMA 映射的是 I/O 内存，内核不会对其做页缓存或回写。
VM_DONTEXPAND — 禁止通过 mremap 扩展该 VMA。
VM_DONTDUMP — 禁止在 core dump 中包含该 VMA 内容（DMA 缓冲区通常不需要 dump）。
这三个标志是 DMA 缓冲区映射的标准配置，缺一不可。

3.6 VMA 与缺页异常

当用户进程访问映射的虚拟地址但对应页表项无效时，CPU 触发缺页异常，内核调用 VMA 的 fault 回调。对于使用 remap_pfn_range 预先建立页表映射的 DMA 缓冲区，缺页异常不会发生，因为页表项在 mmap 时已全部建立。

但对于稀疏映射或按需映射的场景（如帧缓冲设备），驱动需要实现 fault 回调：

static vm_fault_t my_vma_fault(struct vm_fault *vmf)
{
    struct vm_area_struct *vma = vmf->vma;
    struct my_dev *dev = vma->vm_private_data;
    unsigned long offset = (vmf->pgoff - vma->vm_pgoff) << PAGE_SHIFT;
    struct page *page;

    // 根据 offset 获取对应的物理页
    page = my_get_dma_page(dev, offset);
    if (!page)
        return VM_FAULT_SIGBUS;

    // 将物理页插入到 vmf 的页表
    vmf->page = page;
    return 0;
}
性能对比：
remap_pfn_range 方式：mmap 时一次性建立所有页表，访问时无缺页开销，适合连续物理内存。
fault 回调方式：按需建立页表，节省页表内存，适合稀疏映射或内存池管理。
DMA 缓冲区共享通常使用 remap_pfn_range 方式以获得最佳访问性能。

3.7 本章小结

  • mmap 系统调用通过 prot 和 flags 控制映射权限与类型，驱动开发中主要使用文件映射 + MAP_SHARED。
  • VMA 是内核管理虚拟内存区域的核心结构，驱动通过 vm_ops 和 vm_private_data 与 VMA 交互。
  • 驱动 mmap 回调的标准流程：校验参数 → 设置 VMA 标志 → 设置 vm_ops → 调用 open → 建立页表映射。
  • VM_IO | VM_DONTEXPAND | VM_DONTDUMP 是 DMA 缓冲区 VMA 的标准标志组合。
  • 缺页异常处理（fault 回调）提供了按需映射的灵活性，但 DMA 共享场景更推荐 remap_pfn_range 的预映射方式。
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