Linux 內存映射 mmap 原理分析
本文轉自博客，我修改了一些筆誤，并劃了一些我自認為的重點。
原理
首先，“映射”這個詞，就和數學課上說的“一一映射”是一個意思，就是建立一種一一對應關系，在這里主要是指?硬盤上文件?的位置與 進程邏輯地址空間?中一塊大小相同的區域之間的一一對應，如?圖1中過程1?所示。這種對應關系純屬是邏輯上的概念，物理上是不存在的，原因是進程的邏輯地址空間本身就是不存在的。在內存映射的過程中，并沒有實際的數據拷貝，文件沒有被載入內存，只是邏輯上被放入了內存，具體到代碼，就是建立并初始化了相關的數據結構（struct?address_space），這個過程有系統調用mmap()實現，所以建立內存映射的效率很高。
圖1.內存映射原理
既然建立內存映射沒有進行實際的數據拷貝，那么進程又怎么能最終直接通過內存操作訪問到硬盤上的文件呢？那就要看內存映射之后的幾個相關的過程了。
mmap() 會返回一個指針 ptr，它指向進程邏輯地址空間中的一個地址，這樣以后，進程無需再調用 read 或 write 對文件進行讀寫，而只需要通過 ptr 就能夠操作文件。但是 ptr 所指向的是一個邏輯地址，要操作其中的數據，必須通過 MMU 將邏輯地址轉換成物理地址，如 圖1中過程2 所示。這個過程與內存映射無關。
前面講過，建立內存映射并沒有實際拷貝數據，這時，MMU 在地址映射表中是無法找到與 ptr 相對應的物理地址的，也就是MMU失敗，將產生一個缺頁中斷，缺頁中斷的中斷響應函數會在 swap 中尋找相對應的頁面，如果找不到（也就是該文件從來沒有被讀入內存的情況），則會通過 mmap() 建立的映射關系，從硬盤上將文件讀取到物理內存中，如 圖1中過程3 所示。這個過程與內存映射無關。
如果在拷貝數據時，發現物理內存不夠用，則會通過虛擬內存機制（swap）將暫時不用的物理頁面交換到硬盤上，如 圖1中過程4 所示。這個過程也與內存映射無關。
效率
從代碼層面上看，從硬盤上將文件讀入內存，都要經過文件系統進行數據拷貝，并且數據拷貝操作是由文件系統和硬件驅動實現的，理論上來說，拷貝數據的效率是一樣的。但是通過內存映射的方法訪問硬盤上的文件，效率要比 read 和 write 系統調用高，這是為什么呢？原因是 read() 是系統調用，其中進行了數據拷貝，它首先將文件內容從硬盤拷貝到內核空間的一個緩沖區，如 圖2中過程1 ，然后再將這些數據拷貝到用戶空間，如 圖2中過程2 ，在這個過程中，實際上完成了?兩次數據拷貝?；而mmap() 雖然也是系統調用，如前所述，mmap() 中沒有進行數據拷貝，真正的數據拷貝是在缺頁中斷處理時進行的，由于 mmap() 將文件直接映射到用戶空間，所以中斷處理函數根據這個映射關系，直接將文件從硬盤拷貝到用戶空間，只進行了?一次數據拷貝?。因此，內存映射的效率要比 read/write 效率高
下面這個程序，通過 read 和 mmap 兩種方法分別對硬盤上一個名為 “mmap_test” 的文件進行操作，文件中存有 10000 個整數，程序兩次使用不同的方法將它們讀出，加1，再寫回硬盤。通過對比可以看出，read 消耗的時間將近是 mmap 的兩到三倍
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define MAX 10000
int main()
{
int i = 0;
int count = 0, fd = 0;
struct timeval tv1, tv2;
int *array = (int *) malloc( sizeof(int) * MAX );
/*read*/
gettimeofday( &tv1, NULL );
fd = open( "mmap_test", O_RDWR );
if ( sizeof(int) * MAX != read( fd, (void *) array, sizeof(int) * MAX ) )
{
printf( "Reading data failed.../n" );
return(-1);
}
for ( i = 0; i < MAX; ++i )
++array[i];
if ( sizeof(int) * MAX != write( fd, (void *) array, sizeof(int) * MAX ) )
{
printf( "Writing data failed.../n" );
return(-1);
}
free( array );
close( fd );
gettimeofday( &tv2, NULL );
printf( "Time of read/write: %dms/n", tv2.tv_usec - tv1.tv_usec );
/*mmap*/
gettimeofday( &tv1, NULL );
fd = open( "mmap_test", O_RDWR );
array = mmap( NULL, sizeof(int) * MAX, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0 );
for ( i = 0; i < MAX; ++i )
++array[i];
munmap( array, sizeof(int) * MAX );
msync( array, sizeof(int) * MAX, MS_SYNC );
free( array );
close( fd );
gettimeofday( &tv2, NULL );
printf( "Time of mmap: %dms/n", tv2.tv_usec - tv1.tv_usec );
return(0);
}
輸出結果：
Time?of?read/write:?154ms
Time?of?mmap:?68ms
linux 任務調度
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