3. QNX 内存管理：虚拟内存、物理内存、mmap、共享内存、内存保护、内存泄漏检测工具

QNX 作为硬实时微内核操作系统，其内存管理机制是驱动开发的核心基础。驱动程序运行在系统空间（System Space），直接与硬件交互，必须深刻理解虚拟地址与物理地址的映射关系、内存分配策略以及保护机制。本章将系统性地剖析 QNX 内存管理的各个关键环节，并介绍常用的内存泄漏检测工具。

3.1 虚拟内存与物理内存架构

QNX 采用基于 MMU（Memory Management Unit）的虚拟内存管理机制。每个进程（包括驱动进程）拥有独立的 4GB 虚拟地址空间，通过页表映射到物理内存。这种设计提供了进程隔离、内存保护和灵活的地址空间管理。

3.2 mmap 内存映射机制

mmap() 是 QNX 驱动开发中最核心的系统调用之一，用于在进程虚拟地址空间中创建映射。驱动开发中主要使用以下两种映射类型：

驱动中典型的 mmap() 实现示例：

#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <hw/inout.h>

/* 映射设备物理地址到用户空间 */
int map_device_memory(void) {
    int fd;
    volatile uint32_t *reg_base;

    fd = open("/dev/mem", O_RDWR);
    if (fd == -1) {
        perror("open /dev/mem failed");
        return -1;
    }

    /* 映射物理地址 0xFFF02000，大小 4KB */
    reg_base = mmap(0, 0x1000,
                    PROT_READ | PROT_WRITE,
                    MAP_SHARED | MAP_PHYS,
                    fd, 0xFFF02000);

    if (reg_base == MAP_FAILED) {
        perror("mmap failed");
        close(fd);
        return -1;
    }

    /* 访问寄存器 */
    uint32_t val = reg_base[0];
    reg_base[1] = 0x01;

    /* 解除映射 */
    munmap((void *)reg_base, 0x1000);
    close(fd);
    return 0;
}

3.3 共享内存机制

QNX 提供多种共享内存机制，用于进程间高效数据交换。驱动开发中，共享内存常用于驱动与用户态应用程序之间的数据传递。

共享内存使用步骤：

1. 创建/打开共享内存对象：使用 shm_open() 创建或打开一个 POSIX 共享内存对象。
2. 设置大小：使用 ftruncate() 设置共享内存区域的大小。
3. 映射到地址空间：使用 mmap() 将共享内存映射到进程虚拟地址空间。
4. 同步访问：使用信号量或互斥锁协调对共享内存的访问。
5. 解除映射：使用 munmap() 解除映射。
6. 删除对象：使用 shm_unlink() 删除共享内存对象。

/* 驱动端共享内存示例 */
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <semaphore.h>

#define SHM_NAME  "/my_driver_shm"
#define SHM_SIZE  4096

typedef struct {
    sem_t sem;
    uint32_t data[1023];
} shared_data_t;

int setup_shared_memory(shared_data_t **shm_ptr) {
    int fd;

    fd = shm_open(SHM_NAME, O_CREAT | O_RDWR, 0666);
    if (fd == -1) {
        perror("shm_open failed");
        return -1;
    }

    if (ftruncate(fd, SHM_SIZE) == -1) {
        perror("ftruncate failed");
        close(fd);
        return -1;
    }

    *shm_ptr = mmap(0, SHM_SIZE,
                    PROT_READ | PROT_WRITE,
                    MAP_SHARED, fd, 0);
    if (*shm_ptr == MAP_FAILED) {
        perror("mmap failed");
        close(fd);
        return -1;
    }

    close(fd);
    return 0;
}

3.4 内存保护机制

QNX 提供多层次的内存保护机制，确保系统稳定性和安全性。驱动开发人员必须严格遵守这些保护规则。

3.5 内存泄漏检测工具

QNX 提供强大的内存调试工具，帮助开发人员定位内存泄漏和内存使用异常。驱动开发中常用的工具包括 memmgr 和 pmap。

3.5.1 memmgr 工具

memmgr 是 QNX 的内存管理器调试工具，可以显示系统内存使用情况、进程内存分配详情以及内存泄漏检测。

常用命令：

# 显示系统内存统计
memmgr -S

# 显示所有进程的内存使用情况
memmgr -p

# 显示指定进程的内存分配详情
memmgr -p <PID>

# 启用内存泄漏检测（需要链接 libmemmgr）
memmgr -l <PID>

输出示例：

# memmgr -p 1234
Process: 1234 (my_driver)
  Virtual Size:    12.3 MB
  Resident Size:   4.5 MB
  Shared Size:     1.2 MB
  Stack Size:      256 KB
  Heap Allocations: 128 blocks, 3.2 MB
  Mmap Regions:    5 regions, 8.1 MB

3.5.2 pmap 工具

pmap 用于显示进程的内存映射布局，帮助开发人员了解虚拟地址空间中各个区域的分布情况。

# 显示进程内存映射
pmap <PID>

# 显示详细信息（包括权限和偏移）
pmap -x <PID>

# 显示共享内存映射
pmap -s <PID>

输出示例：

# pmap -x 1234
Address           Kbytes     RSS   Anon  Locked Mode   Mapped File
00001000           128     128      0       0 r-x--   my_driver
00021000            64      64      0       0 rw---   my_driver
00031000          1024    1024   1024       0 rw---   [ heap ]
00131000           256     256      0       0 rw---   [ stack ]
00171000          4096    4096   4096       0 rw-s-   /dev/mem (shared memory)

3.6 内存管理常见问题与排查

3.7 本章小结