mmap原理詳解

1. 一句話概括mmap

mmap的作用，在應(yīng)用這一層，是讓你把文件的某一段，當作內(nèi)存一樣來訪問。將文件映射到物理內(nèi)存，將進程虛擬空間映射到那塊內(nèi)存。

這樣，進程不僅能像訪問內(nèi)存一樣讀寫文件，多個進程映射同一文件，還能保證虛擬空間映射到同一塊物理內(nèi)存，達到內(nèi)存共享的作用。

2. 虛擬內(nèi)存？虛擬空間？

其實是一個概念，前一篇對于這個詞沒有確切的定義，現(xiàn)在定義一下：

虛擬空間就是進程看到的所有地址組成的空間，虛擬空間是某個進程對分配給它的所有物理地址（已經(jīng)分配的和將會分配的）的重新映射。

而虛擬內(nèi)存，為啥叫虛擬內(nèi)存，是因為它就不是真正的內(nèi)存，是假的，因為它是由地址組成的空間，所以在這里，使用虛擬空間這個詞更加確切和易懂。（不過虛擬內(nèi)存這個詞也不算錯）

2.1 虛擬空間原理

2.1.1物理內(nèi)存

首先，物理地址實際上也不是連續(xù)的，通常是包含作為主存的DRAM和IO寄存器

以前的CPU（如X86）是為IO劃分單獨的地址空間，所以不能用直接訪問內(nèi)存的方式（如指針）IO，只能用專門的方法（in/read/out/write）諸如此類。

現(xiàn)在的CPU利用PCI總線將IO寄存器映射到物理內(nèi)存，所以出現(xiàn)了基于內(nèi)存訪問的IO。

還有一點補充的，就如同進程空間有一塊內(nèi)核空間一樣，物理內(nèi)存也會有極小一部分是不能訪問的，為內(nèi)核所用。

2.1.2三個總線

這里再補充下三個總線的知識，即：地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線

• 地址總線，用來傳輸?shù)刂?/li>
• 數(shù)據(jù)總線，用來傳輸數(shù)據(jù)
• 控制總線，用來傳輸命令

比如CPU通過控制總線發(fā)送讀取命令，同時用地址總線發(fā)送要讀取的數(shù)據(jù)虛地址，經(jīng)過MMU后到內(nèi)存

內(nèi)存通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)傳輸給CPU。

虛擬地址的空間和指令集的地址長度有關(guān)，不一定和物理地址長度一致，比如現(xiàn)在的64位處理器，從VA角度看來，可以訪問64位的地址，但地址總線長度只有48位，所以你可以訪問一個位于2^52這個位置的地址。

2.1.3虛擬內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換（虛地址轉(zhuǎn)實地址）

上面已經(jīng)明確了虛擬內(nèi)存是虛擬空間，即地址的集合這一概念?；诖耍瑏碚f說原理。

如果還記得操作系統(tǒng)課程里面提到的虛地址，那么這個虛地址就是虛擬空間的地址了，虛地址通過轉(zhuǎn)換得到實地址，轉(zhuǎn)換方式課程內(nèi)也講得很清楚，虛地址頭部包含了頁號（段地址和段大小，看存儲模式：頁存儲、段存儲，段頁式），剩下部分是偏移量，經(jīng)過MMU轉(zhuǎn)換成實地址。

存儲方式

如圖則是頁式存儲動態(tài)地址變換的方式

虛擬地址頭部為頁號通過查詢頁表得到物理頁號，假設(shè)一頁時1K，那么頁號*偏移量就得到物理地址

如圖所示，段式存儲

虛擬地址頭部為段號，段表中找到段基地址加上偏移量得到實地址

段頁式結(jié)合兩者，如圖所示。

3. mmap映射

至此，如果對虛擬空間已經(jīng)了解了，那么接下來，作為coder，應(yīng)該自動把虛擬空間無視掉，因為Linux的目的也是要讓更多額進程能享用內(nèi)存，又不讓進程做麻煩的事情，是將虛擬空間和MMU都透明化，讓進程（和coder）只需要管對內(nèi)存怎樣使用。

所以現(xiàn)在開始不再強調(diào)虛擬空間了。

mmap就是將文件映射到內(nèi)存上，進程直接對內(nèi)存進行讀寫，然后就會反映到磁盤上。

• 虛擬空間獲取到一段連續(xù)的地址
• 在沒有讀寫的時候，這個地址指向不存在的地方（所以，上圖中起始地址和終止地址是還沒分配給 進程的）
• 好了，根據(jù)偏移量，進程要讀文件數(shù)據(jù)了，數(shù)據(jù)占在兩個頁當中（物理內(nèi)存著色部分）
• 這時，進程開始使用內(nèi)存了，所以O(shè)S給這兩個頁分配了內(nèi)存（即缺頁異常）（其余部分還是沒有分配）
• 然后剛分配的頁內(nèi)是空的，所以再將相同偏移量的文件數(shù)據(jù)拷貝到物理內(nèi)存對應(yīng)頁上。