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🌻1.前言

本篇目的：Linux内核之virt_to_page实现与用法实例

🌻2.Linux内核virt_to_page介绍

• virt_to_page是Linux内核中用于将虚拟地址转换为对应的页描述符（page descriptor）的函数。在Linux内核中，每个物理内存页都有一个对应的struct page结构，该结构包含了页的详细信息，如页的状态、引用计数、映射信息等。当内核需要操作一个特定的虚拟地址时，它通常会使用virt_to_page来获取该虚拟地址对应的page结构。
• 在Linux内核中，虚拟地址空间被划分为多个区域，如内核空间、用户空间等。每个区域内部又被划分为多个页，每页大小通常为4KB。内核使用页表来管理虚拟地址到物理地址的映射。virt_to_page函数利用这些信息来查找给定虚拟地址对应的page结构。
• 当virt_to_page被调用时，它首先会检查提供的虚拟地址是否有效，即是否属于内核地址空间。如果地址有效，函数会进一步确定该地址所在的页表项，并从中提取出对应的物理页号（PFN）。PFN是物理页的一个唯一标识符。一旦PFN被确定，virt_to_page会通过PFN来查找对应的page结构。
• page结构是内核中表示物理页的主要数据结构，它包含了页的各种属性，如页的状态（是否被分配、是否脏等）、页的访问权限、页的映射信息等。通过page结构，内核可以执行各种内存管理操作，如页的分配、释放、标记脏页以便回写等。
• virt_to_page的使用在内核中非常普遍，尤其是在内存管理、页缓存、文件系统等模块中。例如，当内核需要访问一个特定的内核虚拟地址时，它可能会使用virt_to_page来获取对应的page结构，然后检查页的状态或执行其他操作。
• 然而，值得注意的是，virt_to_page通常只应用于内核虚拟地址。对于用户空间虚拟地址，内核使用不同的函数来获取对应的page结构，因为用户空间的虚拟地址可能涉及到更复杂的内存管理机制，如页表共享、写时复制等。
• virt_to_page是Linux内核中的一个关键函数，它简化了内核对虚拟地址到物理页的转换过程，使得内核能够高效地管理内存资源。

总结

• virt_to_page 是 Linux 内核中的一个函数，它的作用是将一个虚拟地址转换为对应的 struct page 结构体指针。在 Linux 内核中，struct page 结构体用于表示物理内存页。这个函数在内核中用于管理虚拟地址和物理地址之间的映射关系，通常在内核代码中进行内存管理和页表操作时会用到。

• 具体而言，当内核需要访问某个虚拟地址对应的物理页时，可以使用 virt_to_page 函数将虚拟地址转换为对应的 struct page 结构体指针，然后通过这个指针可以获取到物理页的相关信息，比如页面状态、页面的引用计数等。

• 这个函数在内核的内存管理、页面交换、页面分配等方面都有着重要的作用，能够帮助内核更加高效地管理系统内存。

🌻3.virt_to_page宏实现

🐓3.1 virt_to_page宏展开过程

<1>.virt_to_page

#define virt_to_page(kaddr)	pfn_to_page(__pa(kaddr) >> PAGE_SHIFT)

<2>.pfn_to_page展开

#define pfn_to_page __pfn_to_page

#define __pfn_to_page(pfn)				\
({	unsigned long __pfn = (pfn);			\
	struct mem_section *__sec = __pfn_to_section(__pfn);	\
	__section_mem_map_addr(__sec) + __pfn;		\
})

<3>.__pfn_to_section展开

static inline struct mem_section *__pfn_to_section(unsigned long pfn)
{
	return __nr_to_section(pfn_to_section_nr(pfn));
}

🌻4.virt_to_page代码实例

🐓4.1 字符设备驱动示例

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/mm.h> // 包含 virt_to_page 函数

#define DEVICE_NAME "virt_to_page_example"
#define BUF_SIZE 1024

static char buffer[BUF_SIZE];
static unsigned long vaddr = 0x12345678; // 要处理的虚拟地址

static int device_open(struct inode *inode, struct file *file) {
    printk(KERN_INFO "Device opened.\n");
    return 0;
}

static ssize_t device_read(struct file *file, char *buf, size_t count, loff_t *offset) {
    struct page *page_ptr = virt_to_page(vaddr); // 将虚拟地址转换为页面指针

    // 将页面内容复制到用户空间
    if (copy_to_user(buf, page_address(page_ptr), count)) {
        printk(KERN_ERR "Error copying data to user.\n");
        return -EFAULT;
    }

    return count;
}

static struct file_operations fops = {
    .open = device_open,
    .read = device_read,
};

static int __init init_module(void) {
    printk(KERN_INFO "Initializing virt_to_page example module.\n");
    register_chrdev(0, DEVICE_NAME, &fops); // 注册字符设备驱动
    return 0;
}

static void __exit cleanup_module(void) {
    printk(KERN_INFO "Cleaning up virt_to_page example module.\n");
    unregister_chrdev(0, DEVICE_NAME); // 注销字符设备驱动
}

MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(init_module);
module_exit(cleanup_module);

🐓4.2 平台设备驱动示例

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/mm.h> // 包含 virt_to_page 函数

#define DRIVER_NAME "virt_to_page_platform_driver"
#define VADDR 0x87654321 // 要处理的虚拟地址

static struct resource *res;

static int my_platform_driver_probe(struct platform_device *pdev) {
    struct page *page_ptr = virt_to_page(VADDR); // 将虚拟地址转换为页面指针

    // 在这里可以使用 page_ptr 对页面进行操作

    return 0;
}

static int my_platform_driver_remove(struct platform_device *pdev) {
    return 0;
}

static struct platform_driver my_platform_driver = {
    .driver = {
        .name = DRIVER_NAME,
        .owner = THIS_MODULE,
    },
    .probe = my_platform_driver_probe,
    .remove = my_platform_driver_remove,
};

static int __init my_platform_driver_init(void) {
    return platform_driver_register(&my_platform_driver); // 注册平台设备驱动
}

static void __exit my_platform_driver_exit(void) {
    platform_driver_unregister(&my_platform_driver); // 注销平台设备驱动
}

MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(my_platform_driver_init);
module_exit(my_platform_driver_exit);

🐓4.3 SPI设备驱动示例

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/spi/spi.h>
#include <linux/mm.h> // 包含 virt_to_page 函数

#define DRIVER_NAME "virt_to_page_spi_driver"
#define VADDR 0xAABBCCDD // 要处理的虚拟地址

static int my_spi_probe(struct spi_device *spi) {
    struct page *page_ptr = virt_to_page(VADDR); // 将虚拟地址转换为页面指针

    // 在这里可以使用 page_ptr 对页面进行操作

    return 0;
}

static int my_spi_remove(struct spi_device *spi) {
    return 0;
}

static struct spi_driver my_spi_driver = {
    .driver = {
        .name = DRIVER_NAME,
        .owner = THIS_MODULE,
    },
    .probe = my_spi_probe,
    .remove = my_spi_remove,
};

static int __init my_spi_init(void) {
    return spi_register_driver(&my_spi_driver); // 注册SPI设备驱动
}

static void __exit my_spi_exit(void) {
    spi_unregister_driver(&my_spi_driver); // 注销SPI设备驱动
}

MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(my_spi_init);
module_exit(my_spi_exit);