Linux kmap用法及示例

kmap 是 Linux 内核中用于将高端内存（High Memory）页面临时映射到内核虚拟地址空间的 API。它在 32 位系统（地址空间有限）中尤为重要，64 位系统中通常直接使用线性映射。

核心概念

  1. 高端内存（High Memory）
    在 32 位 Linux 中，内核虚拟地址空间有限（通常 1GB）。当物理内存 > 896MB 时，超出部分称为高端内存，无法永久映射到内核空间，需动态映射。
  2. kmap 作用
    为高端内存页面分配一个临时内核虚拟地址，使内核能访问其内容。
  3. 映射限制
    映射槽位有限，需及时用 kunmap 释放。

函数原型

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#include <linux/highmem.h>

// 映射页面到内核地址空间
void *kmap(struct page *page);

// 解除映射
void kunmap(struct page *page);

使用步骤

  1. 获取目标页的 struct page*（如通过 alloc_page() 或页面缓存）。
  2. 调用 kmap(page) 获取内核虚拟地址。
  3. 通过返回的虚拟地址访问页面内容。
  4. 使用完成后调用 kunmap(page) 释放映射。

示例代码

示例 1：映射并修改页面内容

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#include <linux/highmem.h>

void modify_page_content(struct page *page) {
    char *virt_addr;

    // 映射页面
    virt_addr = kmap(page);
    if (!virt_addr) {
        pr_err("kmap failed\n");
        return;
    }

    // 访问页面内容（示例：填充数据）
    memset(virt_addr, 0xAB, PAGE_SIZE);  // 填充整个页面

    // 修改特定位置
    virt_addr[0] = 'H';
    virt_addr[1] = 'i';

    // 解除映射
    kunmap(page);
}

示例 2：从页面缓存读取文件内容

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#include <linux/fs.h>
#include <linux/highmem.h>
#include <linux/pagemap.h>

void read_file_page(struct address_space *mapping, pgoff_t index) {
    struct page *page;
    char *virt_addr;

    // 从页面缓存获取页面
    page = read_mapping_page(mapping, index, NULL);
    if (IS_ERR(page)) {
        pr_err("Error reading page\n");
        return;
    }

    // 映射页面
    virt_addr = kmap(page);
    if (!virt_addr) {
        pr_err("kmap failed\n");
        put_page(page);  // 减少引用计数
        return;
    }

    // 打印前 16 字节内容
    print_hex_dump(KERN_INFO, "Page Data: ", DUMP_PREFIX_OFFSET, 16, 1, virt_addr, 16, true);

    // 清理
    kunmap(page);
    put_page(page);  // 释放页面引用
}

关键注意事项

  1. 映射生命周期
    • kmap 映射是临时的，用完后必须立即调用 kunmap。
    • 避免长期持有映射（可能导致槽位耗尽）。
  2. 原子上下文
    kmap 可能睡眠（等待空闲槽位），不可在中断上下文或持有自旋锁时使用！此时需用 kmap_atomic（无睡眠，但映射仅限当前 CPU）。
  3. 64 位系统
    64 位地址空间充足，kmap 通常直接返回 page_to_virt(page)（低开销），但为保持代码可移植性，仍需正确使用 kmap/kunmap。
  4. 错误处理
    kmap 失败时返回 NULL（极罕见），需检查返回值。

kmap vs kmap_atomic

特性 kmap kmap_atomic
是否睡眠 可能睡眠（等待槽位） 永不睡眠
适用上下文 进程上下文 进程/中断上下文
映射作用域 全局（跨 CPU） 当前 CPU（迁移时失效）
性能开销 较高 极低
解除映射函数 kunmap(page) kunmap_atomic(addr)

常见使用场景

  1. 文件系统操作（读写页面缓存）。
  2. 网络栈处理数据包（skb_frag_t 页面）。
  3. 驱动程序访问用户空间页面（如 get_user_pages() 获取的页）。
  4. 内存管理子系统（如页交换、迁移）。

提示：现代内核中，许多操作已封装高层 API（如 kmap_local_page()），但理解 kmap 机制仍有助深入内核开发。