淺析linux內(nèi)存映射原理

內(nèi)存映射，簡(jiǎn)而言之就是將用戶空間的一段內(nèi)存區(qū)域映射到內(nèi)核空間，映射成功后，用戶對(duì)這段內(nèi)存區(qū)域的修改可以直接反映到內(nèi)核空間，同樣，內(nèi)核空間對(duì)這段區(qū)域的修改也直接反映用戶空間。那么對(duì)于內(nèi)核空間<---->用戶空間兩者之間需要大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鞯脑捫适欠浅８叩摹?/p>

以下是一個(gè)把普遍文件映射到用戶空間的內(nèi)存區(qū)域的示意圖。

圖一：

二、基本函數(shù)

mmap函數(shù)是unix/linux下的系統(tǒng)調(diào)用，詳細(xì)內(nèi)容可參考《Unix Netword programming》卷二12.2節(jié)。

mmap系統(tǒng)調(diào)用并不是完全為了用于共享內(nèi)存而設(shè)計(jì)的。它本身提供了不同于一般對(duì)普通文件的訪問(wèn)方式，進(jìn)程可以像讀寫(xiě)內(nèi)存一樣對(duì)普通文件的操作。而Posix或系統(tǒng)V的共享內(nèi)存IPC則純粹用于共享目的，當(dāng)然mmap()實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存也是其主要應(yīng)用之一。

mmap系統(tǒng)調(diào)用使得進(jìn)程之間通過(guò)映射同一個(gè)普通文件實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存。普通文件被映射到進(jìn)程地址空間后，進(jìn)程可以像訪問(wèn)普通內(nèi)存一樣對(duì)文件進(jìn)行訪問(wèn)，不必再調(diào)用read()，write（）等操作。mmap并不分配空間, 只是將文件映射到調(diào)用進(jìn)程的地址空間里（但是會(huì)占掉你的 virutal memory）, 然后你就可以用memcpy等操作寫(xiě)文件, 而不用write()了.寫(xiě)完后，內(nèi)存中的內(nèi)容并不會(huì)立即更新到文件中，而是有一段時(shí)間的延遲，你可以調(diào)用msync()來(lái)顯式同步一下, 這樣你所寫(xiě)的內(nèi)容就能立即保存到文件里了.這點(diǎn)應(yīng)該和驅(qū)動(dòng)相關(guān)。 不過(guò)通過(guò)mmap來(lái)寫(xiě)文件這種方式?jīng)]辦法增加文件的長(zhǎng)度, 因?yàn)橐成涞拈L(zhǎng)度在調(diào)用mmap()的時(shí)候就決定了.如果想取消內(nèi)存映射，可以調(diào)用munmap()來(lái)取消內(nèi)存映射

void * mmap(void *start, size_t length, int prot , int flags, int fd, off_t offset)

mmap用于把文件映射到內(nèi)存空間中，簡(jiǎn)單說(shuō)mmap就是把一個(gè)文件的內(nèi)容在內(nèi)存里面做一個(gè)映像。映射成功后，用戶對(duì)這段內(nèi)存區(qū)域的修改可以直接反映到內(nèi)核空間，同樣，內(nèi)核空間對(duì)這段區(qū)域的修改也直接反映用戶空間。那么對(duì)于內(nèi)核空間<---->用戶空間兩者之間需要大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鞯脑捫适欠浅８叩摹?/p>

原理

首先，“映射”這個(gè)詞，就和數(shù)學(xué)課上說(shuō)的“一一映射”是一個(gè)意思，就是建立一種一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，在這里主要是只?硬盤(pán)上文件?的位置與進(jìn)程?邏輯地址空間?中一塊大小相同的區(qū)域之間的一一對(duì)應(yīng)，如圖1中過(guò)程1所示。這種對(duì)應(yīng)關(guān)系純屬是邏輯上的概念，物理上是不存在的，原因是進(jìn)程的邏輯地址空間本身就是不存在的。在內(nèi)存映射的過(guò)程中，并沒(méi)有實(shí)際的數(shù)據(jù)拷貝，文件沒(méi)有被載入內(nèi)存，只是邏輯上被放入了內(nèi)存，具體到代碼，就是建立并初始化了相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（struct?address_space），這個(gè)過(guò)程有系統(tǒng)調(diào)用mmap()實(shí)現(xiàn)，所以建立內(nèi)存映射的效率很高。

圖1.內(nèi)存映射原理??

既然建立內(nèi)存映射沒(méi)有進(jìn)行實(shí)際的數(shù)據(jù)拷貝，那么進(jìn)程又怎么能最終直接通過(guò)內(nèi)存操作訪問(wèn)到硬盤(pán)上的文件呢？那就要看內(nèi)存映射之后的幾個(gè)相關(guān)的過(guò)程了。

mmap()會(huì)返回一個(gè)指針ptr，它指向進(jìn)程邏輯地址空間中的一個(gè)地址，這樣以后，進(jìn)程無(wú)需再調(diào)用read或write對(duì)文件進(jìn)行讀寫(xiě)，而只需要通過(guò)ptr就能夠操作文件。但是ptr所指向的是一個(gè)邏輯地址，要操作其中的數(shù)據(jù)，必須通過(guò)MMU將邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址，如圖1中過(guò)程2所示。這個(gè)過(guò)程與內(nèi)存映射無(wú)關(guān)。

前面講過(guò)，建立內(nèi)存映射并沒(méi)有實(shí)際拷貝數(shù)據(jù)，這時(shí)，MMU在地址映射表中是無(wú)法找到與ptr相對(duì)應(yīng)的物理地址的，也就是MMU失敗，將產(chǎn)生一個(gè)缺頁(yè)中斷，缺頁(yè)中斷的中斷響應(yīng)函數(shù)會(huì)在swap中尋找相對(duì)應(yīng)的頁(yè)面，如果找不到（也就是該文件從來(lái)沒(méi)有被讀入內(nèi)存的情況），則會(huì)通過(guò)mmap()建立的映射關(guān)系，從硬盤(pán)上將文件讀取到物理內(nèi)存中，如圖1中過(guò)程3所示。這個(gè)過(guò)程與內(nèi)存映射無(wú)關(guān)。

如果在拷貝數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)物理內(nèi)存不夠用，則會(huì)通過(guò)虛擬內(nèi)存機(jī)制（swap）將暫時(shí)不用的物理頁(yè)面交換到硬盤(pán)上，如圖1中過(guò)程4所示。這個(gè)過(guò)程也與內(nèi)存映射無(wú)關(guān)。

效率

從代碼層面上看，從硬盤(pán)上將文件讀入內(nèi)存，都要經(jīng)過(guò)文件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝，并且數(shù)據(jù)拷貝操作是由文件系統(tǒng)和硬件驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，理論上來(lái)說(shuō)，拷貝數(shù)據(jù)的效率是一樣的。但是通過(guò)內(nèi)存映射的方法訪問(wèn)硬盤(pán)上的文件，效率要比read和write系統(tǒng)調(diào)用高，這是為什么呢？原因是read()是系統(tǒng)調(diào)用，其中進(jìn)行了數(shù)據(jù)拷貝，它首先將文件內(nèi)容從硬盤(pán)拷貝到內(nèi)核空間的一個(gè)緩沖區(qū)，如圖2中過(guò)程1，然后再將這些數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間，如圖2中過(guò)程2，在這個(gè)過(guò)程中，實(shí)際上完成了?兩次數(shù)據(jù)拷貝?；而mmap()也是系統(tǒng)調(diào)用，如前所述，mmap()中沒(méi)有進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝，真正的數(shù)據(jù)拷貝是在缺頁(yè)中斷處理時(shí)進(jìn)行的，由于mmap()將文件直接映射到用戶空間，所以中斷處理函數(shù)根據(jù)這個(gè)映射關(guān)系，直接將文件從硬盤(pán)拷貝到用戶空間，只進(jìn)行了?一次數(shù)據(jù)拷貝?。因此，內(nèi)存映射的效率要比read/write效率高。

圖2.read系統(tǒng)調(diào)用原理