Linux内核之页面映射到虚拟地址:insert

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🍉🍉🍉文章目录🍉🍉🍉

- 🌻1.前言
- 🌻2.insert_page介绍
- - 🐓2.1 问题一：Linux内核中"页面"表示的含义是什么？
  - 🐓2.2 Linux物理地址和物理页面什么关系？
- 🌻3.代码实例
- - 🐓3.1 字符设备驱动
  - 🐓3.2 网络设备驱动
  - 🐓3.3 内存映射设备驱动

🌻1.前言

本篇目的：Linux内核之页面映射到虚拟地址:insert_page用法实例

🌻2.insert_page介绍

insert_page() 函数是 Linux 内核中用于将页面映射到虚拟地址空间的关键函数之一。其作用是将给定的页面映射到指定的虚拟地址空间中的指定地址，并设置页面的保护标志。这个函数通常用于虚拟内存管理中，用于建立物理页面和虚拟地址之间的映射关系。
在 Linux 内核中，虚拟内存管理是一项重要的任务，负责管理物理内存和虚拟地址空间之间的映射关系。这种映射关系允许进程使用虚拟地址来访问物理内存，而不需要关心物理内存的实际位置。insert_page() 函数在这个过程中扮演着重要的角色。
该函数首先检查给定的页面是否是匿名页面（即不属于文件系统或设备），如果是，则表示该页面是由内核管理的，不需要进一步的处理。然后，函数会刷新给定页面的数据缓存，确保页面中的数据与内存中的一致。接下来，函数会获取给定地址的页表项，并检查该地址是否已经被映射。如果已经被映射，则函数会返回错误码，表示地址已被占用。如果地址尚未被映射，则函数会增加页面的引用计数，增加页面的计数器，并将页面添加到文件映射中，最后设置页面表项，将页面映射到指定地址。
在实际使用中，insert_page() 函数通常由虚拟内存管理子系统调用，用于建立进程的虚拟地址空间和物理内存之间的映射关系。例如，在内存映射、页表操作或设备映射等场景中，可能需要使用 insert_page() 函数来实现页面的映射和管理。
总的来说，insert_page() 函数在 Linux 内核中扮演着关键的角色，用于虚拟内存管理中页面的映射和管理，确保进程能够正确地访问物理内存。

🐓2.1 问题一：Linux内核中"页面"表示的含义是什么？

在操作系统的上下文中，"页面"通常指的是一块物理内存，它的大小是固定的，通常是4KB（在某些系统中可能是其他大小，比如2KB、8KB等）。
物理页面是物理内存的最小单位，操作系统使用页面作为内存管理的基本单元。

当我们说将"页面"映射到虚拟地址时，这里的"页面"确实指的是物理页面，而不是物理地址。
虚拟地址是进程中使用的地址，而物理页面是实际的物理内存单元。
虚拟地址和物理地址之间的映射关系是由操作系统的内存管理单元管理的，其中包括页表、页目录等数据结构。

因此，当我们说将页面映射到虚拟地址时，实际上是建立了虚拟地址和物理页面之间的映射关系，使得进程可以通过虚拟地址来访问相应的物理页面。在这个过程中，操作系统负责管理这种映射关系，包括分配物理页面、更新页表等操作。

🐓2.2 Linux物理地址和物理页面什么关系？

物理地址和物理页面之间是一种多对一的关系。

物理页面是物理内存的最小单位，通常是操作系统管理物理内存的基本单元。
每个物理页面都有一个唯一的地址，即物理地址，用于在内存中定位该页面的位置。
物理地址是一个特定的地址值，用于表示物理内存中的一个特定的字节。

然而，虚拟地址空间和物理内存之间的映射关系是通过页表来实现的。
页表将虚拟地址映射到物理页面上，使得进程可以通过虚拟地址来访问物理内存。
虚拟地址和物理地址之间的映射关系是一对一的，而物理页面和物理地址之间的关系是多对一的，即多个物理页面可能映射到同一个物理地址上。

因此，物理地址是用于表示物理内存中特定位置的地址。
而物理页面是用于管理和分配物理内存的基本单位。
虚拟地址通过页表映射到物理页面上，实现了进程对物理内存的访问。

🌻3.代码实例

🐓3.1 字符设备驱动

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/uaccess.h>

#define DEVICE_NAME "insert_page_char_driver"

static int char_device_open(struct inode *inode, struct file *file) {
    printk(KERN_INFO "Character Device Driver: Device opened\n");
    // 在进程的虚拟地址空间中插入页面
    struct page *page = alloc_page(GFP_KERNEL);
    if (!page) {
        printk(KERN_ALERT "Character Device Driver: Failed to allocate page\n");
        return -ENOMEM;
    }
    if (insert_page(vma, addr, page, PAGE_SIZE) != 0) {
        __free_page(page);
        return -EFAULT;
    }
    return 0;
}

static struct file_operations fops = {
    .open = char_device_open,
};

static int __init char_driver_init(void) {
    printk(KERN_INFO "Character Device Driver: Initializing driver\n");
    // 注册字符设备驱动
    return register_chrdev(0, DEVICE_NAME, &fops);
}

static void __exit char_driver_exit(void) {
    unregister_chrdev(0, DEVICE_NAME);
    printk(KERN_INFO "Character Device Driver: Exiting driver\n");
}

module_init(char_driver_init);
module_exit(char_driver_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

🐓3.2 网络设备驱动

#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/netdevice.h>

#define DEVICE_NAME "insert_page_net_driver"

static int net_device_open(struct net_device *dev) {
    printk(KERN_INFO "Network Device Driver: Device opened\n");
    // 在进程的虚拟地址空间中插入页面
    struct page *page = alloc_page(GFP_KERNEL);
    if (!page) {
        printk(KERN_ALERT "Network Device Driver: Failed to allocate page\n");
        return -ENOMEM;
    }
    if (insert_page(vma, addr, page, PAGE_SIZE) != 0) {
        __free_page(page);
        return -EFAULT;
    }
    return 0;
}

static const struct net_device_ops netdev_ops = {
    .ndo_open = net_device_open,
};

static int __init net_driver_init(void) {
    struct net_device *dev;
    printk(KERN_INFO "Network Device Driver: Initializing driver\n");
    // 注册网络设备驱动
    dev = alloc_netdev(0, DEVICE_NAME, NET_NAME_UNKNOWN, ether_setup);
    if (!dev) {
        printk(KERN_ALERT "Network Device Driver: Failed to allocate network device\n");
        return -ENOMEM;
    }
    dev->netdev_ops = &netdev_ops;
    register_netdev(dev);
    return 0;
}

static void __exit net_driver_exit(void) {
    struct net_device *dev = dev_get_by_name(&init_net, DEVICE_NAME);
    if (dev)
        unregister_netdev(dev);
    printk(KERN_INFO "Network Device Driver: Exiting driver\n");
}

module_init(net_driver_init);
module_exit(net_driver_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

🐓3.3 内存映射设备驱动

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/mm.h>

#define DEVICE_NAME "insert_page_mapping_driver"
#define BUF_SIZE    PAGE_SIZE

static char *buffer;

static int mapping_device_open(struct inode *inode, struct file *file) {
    printk(KERN_INFO "Memory Mapping Device Driver: Device opened\n");
    // 在进程的虚拟地址空间中插入页面
    struct page *page = alloc_page(GFP_KERNEL);
    if (!page) {
        printk(KERN_ALERT "Memory Mapping Device Driver: Failed to allocate page\n");
        return -ENOMEM;
    }
    if (insert_page(vma, addr, page, PAGE_SIZE) != 0) {
        __free_page(page);
        return -EFAULT;
    }
    return 0;
}

static struct file_operations fops = {
    .open = mapping_device_open,
};

static int __init mapping_driver_init(void) {
    printk(KERN_INFO "Memory Mapping Device Driver: Initializing driver\n");
    // 注册内存映射设备驱动
    if (register_chrdev(0, DEVICE_NAME, &fops) < 0) {
        printk(KERN_ALERT "Memory Mapping Device Driver: Failed to register device\n");
        return -EFAULT;
    }
    return 0;
}

static void __exit mapping_driver_exit(void) {
    unregister_chrdev(0, DEVICE_NAME);
    printk(KERN_INFO "Memory Mapping Device Driver: Exiting driver\n");
}

module_init(mapping_driver_init);
module_exit(mapping_driver_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");