mmap 之后第一次访问就 SIGSEGV、文件映射与预期内容不一致、驱动里实现了 fops->mmap 但用户态读到的全是 0——多半不是「指针用错」，而是 映射类型（文件/匿名/设备）、权限与缺页路径 没对齐。
mmap 把「以字节流读写」变成「按页映射进进程地址空间」：共享库、帧缓冲、DMA 缓冲、环形队列零拷贝都靠它。本文从用户态 API → 内核 do_mmap/vma → 缺页 → 驱动 vm_operations_struct → 排障 Checklist 闭环。源 chapter（085–090）为提纲；正文按主线 mm 与真实符号重写。
源码锚点
| mm/mmap.c | do_mmap、VMA 插入与合并、权限检查 |
| include/linux/mm.h | vm_area_struct、vm_operations_struct、do_mmap/vm_mmap |
| mm/memory.c | handle_mm_fault 一带缺页处理 |
| mm/filemap.c 等 | 文件映射与 page cache 交互 |
| include/linux/fs.h | file_operations.mmap |
| man 2 mmap | 用户态标志：MAP_SHARED/PRIVATE/ANONYMOUS 等 |
用户态 API：
void *p = mmap(NULL, length,
PROT_READ | PROT_WRITE,
MAP_SHARED, /* 或 MAP_PRIVATE / MAP_ANONYMOUS */
fd, offset);
if (p == MAP_FAILED) /* errno: EINVAL/ENOMEM/EACCES/… */
perror("mmap");
/* 使用 p[i] —— 可能触发缺页 */
munmap(p, length);
内核侧核心结构：
/* include/linux/mm.h */
struct vm_area_struct {
unsigned long vm_start, vm_end;
struct file *vm_file;
unsigned long vm_pgoff; /* 页为单位的偏移 */
pgprot_t vm_page_prot;
unsigned long vm_flags; /* VM_READ/WRITE/SHARED/… */
const struct vm_operations_struct *vm_ops;
/* … */
};
struct vm_operations_struct {
void (*open)(struct vm_area_struct *vma);
void (*close)(struct vm_area_struct *vma);
vm_fault_t (*fault)(struct vm_fault *vmf);
/* … */
};
驱动实现 mmap 的常见写法：
static int my_mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)
{
struct my_dev *priv = file->private_data;
/* 把设备缓冲区页映射进用户 VMA */
return remap_pfn_range(vma, vma->vm_start,
page_to_pfn(priv->page),
vma->vm_end – vma->vm_start,
vma->vm_page_prot);
/* 或：vma->vm_ops = &my_vm_ops; 在 fault 里 insert_pfn */
}
调用链
用户态 mmap 到建立 VMA
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匿名 MAP_ANONYMOUS
文件
无
有
用户态 mmap(fd, len, prot, flags, offset)
syscall 入口
do_mmap / vm_mmap
映射类型
匿名 VMA
file->f_op->mmap
驱动或文件系统设置 vm_ops/页
插入 mm->mm_rb / VMA 链表
返回用户虚拟地址
首次访问 → handle_mm_fault
已有页表项?
vm_ops->fault 或文件/匿名缺页
直接访问
三类映射数据流
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设备
fops->mmap
remap_pfn_range / fault insert
设备内存或 DMA 缓冲
文件
fd 文件映射
page cache
MAP_SHARED 写回/PRIVATE COW
匿名
堆/匿名 mmap
缺页分配页框
可选写时复制
重点知识
1. 标志位决定语义
| MAP_SHARED | 修改对其他映射/文件可见（按对象语义） | 共享内存、帧缓冲 |
| MAP_PRIVATE | 写时复制，不写穿到底层文件 | 可执行文件私有映射 |
| MAP_ANONYMOUS | 无文件，内容填 0 | 大块堆外内存 |
| MAP_FIXED | 强制地址（危险，慎用） | 特殊加载器 |
| PROT_* | 页权限；与 vm_page_prot 相关 | 与 NX/W^X 策略相关 |
offset 必须按页对齐；长度不足一页也按页粒度记账。EINVAL 常见原因：对齐、长度 0、prot/flags 非法组合。
2. VMA：进程地址空间的「一段合同」
每次成功 mmap（及 brk/栈扩展等）对应一个或多个 vm_area_struct。排障时：
cat /proc/<pid>/maps
cat /proc/<pid>/smaps # 更细：RSS、PSS、Locked
看权限列（r-xp/rw-s 等）是否与 PROT_/MAP_SHARED 一致；看路径是文件、anon 还是 /dev/…。
3. 缺页才是「真正分配/插入页」的时刻
mmap 多数情况下只建立 VMA，不一定立刻分配物理页。第一次读/写触发缺页：
- 匿名：分配页框并清零
- 文件：从 page cache / 文件系统读入
- 设备：走 vm_ops->fault 或已在 mmap 里 remap_pfn_range 建好映射
因此「mmap 成功但一访问就挂」要查：权限、是否已 munmap、设备 fault 是否失败、文件是否被截断（SIGBUS）。
4. 驱动里两种主流做法
remap_pfn_range（或 vm_iomap_memory）
在 mmap 调用时直接填页表。适合固定物理区、寄存器窗、已分配的 DMA 页。注意缓存属性（pgprot_noncached 等）与用户可写范围，避免把内核任意物理页暴露出去。
延迟 fault
vma->vm_ops = &ops，在 fault 里 vmf_insert_pfn / 填 page。适合大范围、稀疏访问。
安全红线：校验 vma->vm_pgoff 与长度，防止用户映射越过缓冲区；不要把任意 __pa 开放给用户。
5. 与 read/write 如何选型
| 小而偶发控制消息 | read/write/ioctl |
| 大块流式、零拷贝 | mmap 或 splice/sendfile |
| 寄存器级访问 | mmap 非缓存窗或专用 ioctl |
| 跨进程共享 | MAP_SHARED + 文件（memfd/shm）或 ashmem 类机制 |
6. 常见坑
| 未页对齐 offset | EINVAL | offset & (PAGE_SIZE-1) == 0 |
| MAP_PRIVATE 当共享用 | 他进程看不见修改 | 改 MAP_SHARED 或用显式 IPC |
| 映射后关闭 fd 仍用 | 多数情况合法，但勿误判生命周期 | 以 munmap 为准；文档写清 |
| 文件被截断 | 访问洞外 → SIGBUS | 锁文件大小或处理信号 |
| 驱动未改 vm_page_prot | 设备内存缓存不一致 | 按 SoC 要求设 noncached/writecombine |
| 忘记 vm_ops->close 释放 | 泄漏 | close/munmap 路径对称 |
7. 最小自测
# 匿名
python3 – <<'PY'
import mmap
m = mmap.mmap(-1, 4096)
m[0:5] = b'hello'
print(m[:5])
m.close()
PY
# 文件
dd if=/dev/zero of=/tmp/t bs=4096 count=1
# 再写小 C 程序 MAP_SHARED 读写验证
驱动：mmap 后用户态写魔数，驱动或另一映射读回比对。
Checklist
- length>0、offset 页对齐；失败时打印 errno
- 共享语义选对 MAP_SHARED/PRIVATE；匿名用 MAP_ANONYMOUS 且 fd=-1
- /proc/self/maps 能看到对应 VMA 与权限
- 理解「mmap 成功 ≠ 已分配页」；大页/锁页场景另验 mlock
- 驱动校验映射范围；物理窗设置正确 cache 属性
- munmap/文件释放/模块卸载无 UAF；vm_ops.close 对称
- 截断、权限不足、缺页失败路径有明确信号/返回值
- 性能场景对比 read vs mmap，避免无依据的「全面 mmap」
合并自：Linux系统编程/chapters/085–090-内存映射（2026-09-06）
