华南俳烁实业有限公司

1. #include <linux/mm_types.h>
   
2. 
   
3. /* This struct defines a memory VMM memory area. */
   
4. 
   
5. struct vm_area_struct {
   
6. struct mm_struct * vm_mm; /* VM area parameters */
   
7. unsigned long vm_start;
   
8. unsigned long vm_end;
   
9. 
   
10. /* linked list of VM areas per task, sorted by address */
    
11. struct vm_area_struct *vm_next;
    
12. pgprot_t vm_page_prot;
13. unsigned long vm_flags;
    
14. 
    
15. /* AVL tree of VM areas per task, sorted by address */
    
16. short vm_avl_height;
    
17. struct vm_area_struct * vm_avl_left;
    
18. struct vm_area_struct * vm_avl_right;
    
19. 
    
20. /* For areas with an address space and backing store,
    
21. vm_area_struct *vm_next_share;
    
22. struct vm_area_struct **vm_pprev_share;
    
23. struct vm_operations_struct * vm_ops;
    
24. unsigned long vm_pgoff; /* offset in PAGE_SIZE units, *not* PAGE_CACHE_SIZE */
    
25. struct file * vm_file;
    
26. unsigned long vm_raend;
    
27. void * vm_private_data; /* was vm_pte (shared mem) */
    
28. };

      通常，進(jìn)程所使用到的虛存空間不連續(xù)，且各部分虛存空間的訪問屬性也可能不同。所以一個進(jìn)程的虛存空間需要多個vm_area_struct結(jié)構(gòu)來描述。在vm_area_struct結(jié)構(gòu)的數(shù)目較少的時候，各個vm_area_struct按照升序排序，以單鏈表的形式組織數(shù)據(jù)（通過vm_next指針指向下一個vm_area_struct結(jié)構(gòu)）。但是當(dāng)vm_area_struct結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)較多的時候，仍然采用鏈表組織的化，勢必會影響到它的搜索速度。針對這個問題，vm_area_struct還添加了vm_avl_hight（樹高）、vm_avl_left（左子節(jié)點(diǎn)）、vm_avl_right（右子節(jié)點(diǎn)）三個成員來實現(xiàn)AVL樹，以提高vm_area_struct的搜索速度。

　　假如該vm_area_struct描述的是一個文件映射的虛存空間，成員vm_file便指向被映射的文件的file結(jié)構(gòu)，vm_pgoff是該虛存空間起始地址在vm_file文件里面的文件偏移，單位為物理頁面。

圖3.2  進(jìn)程虛擬地址示意圖 

因此,mmap系統(tǒng)調(diào)用所完成的工作就是準(zhǔn)備這樣一段虛存空間,并建立vm_area_struct結(jié)構(gòu)體,將其傳給具體的設(shè)備驅(qū)動程序.

2. 建立虛擬地址空間和文件或設(shè)備的物理地址之間的映射(設(shè)備驅(qū)動完成)

  建立文件映射的第二步就是建立虛擬地址和具體的物理地址之間的映射,這是通過修改進(jìn)程頁表來實現(xiàn)的.mmap方法是file_opeartions結(jié)構(gòu)的成員:

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

linux有2個方法建立頁表:

(1) 使用remap_pfn_range一次建立所有頁表.

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

返回值:

成功返回 0, 失敗返回一個負(fù)的錯誤值
參數(shù)說明:

vma 用戶進(jìn)程創(chuàng)建一個vma區(qū)域

virt_addr 重新映射應(yīng)當(dāng)開始的用戶虛擬地址. 這個函數(shù)建立頁表為這個虛擬地址范圍從 virt_addr 到 virt_addr_size.

pfn 頁幀號, 對應(yīng)虛擬地址應(yīng)當(dāng)被映射的物理地址. 這個頁幀號簡單地是物理地址右移 PAGE_SHIFT 位. 對大部分使用, VMA 結(jié)構(gòu)的 vm_paoff 成員正好包含你需要的值. 這個函數(shù)影響物理地址從 (pfn<

size 正在被重新映射的區(qū)的大小, 以字節(jié).

prot 給新 VMA 要求的"protection". 驅(qū)動可(并且應(yīng)當(dāng))使用在vma->vm_page_prot 中找到的值.

(2) 使用nopage VMA方法每次建立一個頁表項.

   struct page *(*nopage)(struct vm_area_struct *vma, unsigned long address, int *type);

返回值:

成功則返回一個有效映射頁,失敗返回NULL.

參數(shù)說明:

address 代表從用戶空間傳過來的用戶空間虛擬地址.

返回一個有效映射頁.

(3) 使用方面的限制：

remap_pfn_range不能映射常規(guī)內(nèi)存，只存取保留頁和在物理內(nèi)存頂之上的物理地址。因為保留頁和在物理內(nèi)存頂之上的物理地址內(nèi)存管理系統(tǒng)的各個子模塊管理不到。640 KB 和 1MB 是保留頁可能映射，設(shè)備I/O內(nèi)存也可以映射。如果想把kmalloc()申請的內(nèi)存映射到用戶空間，則可以通過mem_map_reserve()把相應(yīng)的內(nèi)存設(shè)置為保留后就可以。

3. 當(dāng)實際訪問新映射的頁面時的操作(由缺頁中斷完成)

(1)  page cache及swap cache中頁面的區(qū)分：一個被訪問文件的物理頁面都駐留在page cache或swap cache中，一個頁面的所有信息由struct page來描述。struct page中有一個域為指針mapping ，它指向一個struct address_space類型結(jié)構(gòu)。page cache或swap cache中的所有頁面就是根據(jù)address_space結(jié)構(gòu)以及一個偏移量來區(qū)分的。

(2) 文件與 address_space結(jié)構(gòu)的對應(yīng)：一個具體的文件在打開后，內(nèi)核會在內(nèi)存中為之建立一個struct inode結(jié)構(gòu)，其中的i_mapping域指向一個address_space結(jié)構(gòu)。這樣，一個文件就對應(yīng)一個address_space結(jié)構(gòu)，一個 address_space與一個偏移量能夠確定一個page cache 或swap cache中的一個頁面。因此，當(dāng)要尋址某個數(shù)據(jù)時，很容易根據(jù)給定的文件及數(shù)據(jù)在文件內(nèi)的偏移量而找到相應(yīng)的頁面。 

(4) 對于共享內(nèi)存映射情況，缺頁異常處理程序首先在swap cache中尋找目標(biāo)頁（符合address_space以及偏移量的物理頁），如果找到，則直接返回地址；如果沒有找到，則判斷該頁是否在交換區(qū) (swap area)，如果在，則執(zhí)行一個換入操作；如果上述兩種情況都不滿足，處理程序?qū)⒎峙湫碌奈锢眄撁�，并把它插入到page cache中。進(jìn)程最終將更新進(jìn)程頁表。 

     注：對于映射普通文件情況（非共享映射），缺頁異常處理程序首先會在page cache中根據(jù)address_space以及數(shù)據(jù)偏移量尋找相應(yīng)的頁面。如果沒有找到，則說明文件數(shù)據(jù)還沒有讀入內(nèi)存，處理程序會從磁盤讀入相應(yīng)的頁面，并返回相應(yīng)地址，同時，進(jìn)程頁表也會更新.

(5) 所有進(jìn)程在映射同一個共享內(nèi)存區(qū)域時，情況都一樣，在建立線性地址與物理地址之間的映射之后，不論進(jìn)程各自的返回地址如何，實際訪問的必然是同一個共享內(nèi)存區(qū)域?qū)��?yīng)的物理頁面。