4. mmap 系统调用流程：从用户态到内核的完整路径

mmap 系统调用是用户空间与内核空间之间建立直接内存映射的桥梁。理解其完整调用流程，对于编写正确的驱动 mmap 实现至关重要。本章将沿着用户态 mmap() → 内核 sys_mmap → do_mmap → 驱动 mmap 回调这条主线，逐层剖析每个阶段的核心职责与数据流转。

4.1 用户态 mmap 调用：入口与参数

用户态程序通过 C 库封装的 mmap() 函数发起调用，其原型定义在 <sys/mman.h> 中：

#include <sys/mman.h>

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

六个参数分别控制映射的地址、大小、权限、行为、文件描述符和偏移量。下表总结了每个参数的作用与典型取值：

用户态调用 mmap() 后，C 库会执行 syscall 指令，陷入内核，进入系统调用处理程序。在 x86-64 架构上，系统调用号 9 对应 sys_mmap。

4.2 内核 sys_mmap：系统调用入口

内核中 sys_mmap 是 mmap 系统调用的入口函数。在较新内核版本中，它通常定义为 SYSCALL_DEFINE6(mmap, ...)。其核心工作是将用户态参数转换为内核内部结构，并调用 do_mmap()。

// 简化后的 sys_mmap 逻辑（arch/x86/kernel/sys_x86_64.c）
SYSCALL_DEFINE6(mmap, unsigned long, addr, unsigned long, len,
                unsigned long, prot, unsigned long, flags,
                unsigned long, fd, unsigned long, off)
{
    // 1. 参数合法性检查（长度对齐、权限校验等）
    if (offset_in_page(off))
        return -EINVAL;

    // 2. 通过 fd 获取 struct file 指针
    struct fd f = fdget(fd);
    struct file *file = f.file;

    // 3. 调用 do_mmap 完成核心映射工作
    unsigned long ret = do_mmap(file, addr, len, prot, flags, off);

    fdput(f);
    return ret;
}

sys_mmap 的关键职责可以归纳为三点：

• 参数转换：将用户态传入的 fd（整数）转换为内核的 struct file * 指针。
• 合法性校验：检查偏移量是否页对齐、长度是否合理、权限是否冲突。
• 委托执行：将实际工作交给 do_mmap()，自身不做映射决策。

4.3 do_mmap：虚拟地址空间分配

do_mmap() 是 mmap 流程中最重要的内核函数之一，位于 mm/mmap.c。它负责在进程的虚拟地址空间中分配一块合适的区域，并创建对应的 struct vm_area_struct（VMA）结构。

// do_mmap 核心流程（mm/mmap.c，高度简化）
unsigned long do_mmap(struct file *file, unsigned long addr,
                      unsigned long len, unsigned long prot,
                      unsigned long flags, unsigned long offset)
{
    struct mm_struct *mm = current->mm;
    struct vm_area_struct *vma;

    // 1. 获取地址空间写锁
    if (mmap_write_lock_killable(mm))
        return -EINTR;

    // 2. 查找或分配虚拟地址区间
    addr = get_unmapped_area(file, addr, len, offset, flags);

    // 3. 分配并初始化 VMA 结构
    vma = vm_area_alloc(mm);
    vma->vm_start = addr;
    vma->vm_end = addr + len;
    vma->vm_flags = calc_vm_prot_bits(prot) | calc_vm_flag_bits(flags);
    vma->vm_file = get_file(file);
    vma->vm_pgoff = offset >> PAGE_SHIFT;

    // 4. 调用文件操作中的 mmap 回调（关键步骤）
    if (file) {
        ret = call_mmap(file, vma);
        if (ret)
            goto unmap_and_free_vma;
    }

    // 5. 将 VMA 插入进程的红黑树和链表
    vma_link(mm, vma, prev, rb_link, rb_parent);

    mmap_write_unlock(mm);
    return addr;
}

do_mmap() 的执行流程可以概括为以下五个阶段：

1. 地址空间锁定：获取进程内存描述符 mm 的写锁，防止并发修改。
2. 地址分配：调用 get_unmapped_area() 在虚拟地址空间中查找空闲区间。
3. VMA 创建：分配并初始化 VMA 结构，设置起始地址、结束地址、标志位和文件信息。
4. 驱动回调：如果映射关联了文件（设备驱动），调用 file->f_op->mmap()。
5. VMA 注册：将 VMA 插入进程的 VMA 红黑树和双向链表，完成地址空间管理。

4.4 文件操作中的 mmap 回调：驱动的舞台

当 do_mmap() 调用 call_mmap() 时，控制权转移到驱动实现的 file_operations 中的 mmap 方法。这是驱动开发者唯一需要关注的函数，其原型为：

int (*mmap)(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma);

驱动 mmap 回调接收两个参数：

• filp：指向已打开的设备的 struct file 结构，驱动可以通过 filp->private_data 获取设备私有数据。
• vma：指向内核已分配好的虚拟内存区域结构，驱动需要在这个 VMA 上建立物理内存映射。

驱动 mmap 回调的标准实现模式如下：

static int my_device_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
{
    unsigned long pfn;       // 物理页帧号
    unsigned long size;      // 映射大小
    struct my_device *dev = filp->private_data;

    // 1. 获取映射大小（页对齐）
    size = vma->vm_end - vma->vm_start;

    // 2. 确定要映射的物理页帧号
    //    可以从 vma->vm_pgoff 获取，也可以从设备结构获取
    pfn = virt_to_phys(dev->buffer) >> PAGE_SHIFT;

    // 3. 设置 VMA 的操作函数集（可选，用于处理缺页中断）
    vma->vm_ops = &my_device_vm_ops;

    // 4. 建立页表映射（核心操作）
    if (remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, pfn, size, vma->vm_page_prot))
        return -EAGAIN;

    return 0;
}

驱动 mmap 回调的核心职责可以总结为一张表格：

4.5 完整调用流程 SVG 架构图

下图展示了从用户态 mmap() 到驱动 mmap 回调的完整调用链，以及各层之间的数据传递关系：

4.6 流程中的关键数据结构

在整个 mmap 调用链中，有几个核心数据结构贯穿始终。理解它们之间的关系，是掌握 mmap 流程的关键：

4.7 常见问题与避坑指南

• mmap 回调未被调用：检查 file_operations 结构体中 .mmap 字段是否正确定义，且设备文件已通过 open() 打开。
• remap_pfn_range 返回 -EINVAL：通常是因为 vma->vm_start 或 size 未页对齐，或者 pfn 超出了有效物理地址范围。
• 用户态访问映射区域触发 SIGBUS：驱动 mmap 回调中未正确建立页表映射，或者物理内存已被释放。
• 映射后写入不生效：检查 vma->vm_flags 是否包含 VM_WRITE 标志，以及用户态 prot 参数是否包含 PROT_WRITE。