Linux 内存映射 mmap 原理分析

本文转自博客，我修改了一些笔误，并划了一些我自认为的重点。

原理

首先，“映射”这个词，就和数学课上说的“一一映射”是一个意思，就是建立一种一一对应关系，在这里主要是指 硬盘上文件 的位置与 进程逻辑地址空间 中一块大小相同的区域之间的一一对应，如 图1中过程1 所示。这种对应关系纯属是逻辑上的概念，物理上是不存在的，原因是进程的逻辑地址空间本身就是不存在的。在内存映射的过程中，并没有实际的数据拷贝，文件没有被载入内存，只是逻辑上被放入了内存，具体到代码，就是建立并初始化了相关的数据结构（struct address_space），这个过程有系统调用mmap()实现，所以建立内存映射的效率很高。

图1.内存映射原理

既然建立内存映射没有进行实际的数据拷贝，那么进程又怎么能最终直接通过内存操作访问到硬盘上的文件呢？那就要看内存映射之后的几个相关的过程了。

mmap() 会返回一个指针 ptr，它指向进程逻辑地址空间中的一个地址，这样以后，进程无需再调用 read 或 write 对文件进行读写，而只需要通过 ptr 就能够操作文件。但是 ptr 所指向的是一个逻辑地址，要操作其中的数据，必须通过 MMU 将逻辑地址转换成物理地址，如 图1中过程2 所示。这个过程与内存映射无关。

前面讲过，建立内存映射并没有实际拷贝数据，这时，MMU 在地址映射表中是无法找到与 ptr 相对应的物理地址的，也就是MMU失败，将产生一个缺页中断，缺页中断的中断响应函数会在 swap 中寻找相对应的页面，如果找不到（也就是该文件从来没有被读入内存的情况），则会通过 mmap() 建立的映射关系，从硬盘上将文件读取到物理内存中，如 图1中过程3 所示。这个过程与内存映射无关。

如果在拷贝数据时，发现物理内存不够用，则会通过虚拟内存机制（swap）将暂时不用的物理页面交换到硬盘上，如 图1中过程4 所示。这个过程也与内存映射无关。

效率

从代码层面上看，从硬盘上将文件读入内存，都要经过文件系统进行数据拷贝，并且数据拷贝操作是由文件系统和硬件驱动实现的，理论上来说，拷贝数据的效率是一样的。但是通过内存映射的方法访问硬盘上的文件，效率要比 read 和 write 系统调用高，这是为什么呢？原因是 read() 是系统调用，其中进行了数据拷贝，它首先将文件内容从硬盘拷贝到内核空间的一个缓冲区，如 图2中过程1 ，然后再将这些数据拷贝到用户空间，如 图2中过程2 ，在这个过程中，实际上完成了 两次数据拷贝 ；而mmap() 虽然也是系统调用，如前所述，mmap() 中没有进行数据拷贝，真正的数据拷贝是在缺页中断处理时进行的，由于 mmap() 将文件直接映射到用户空间，所以中断处理函数根据这个映射关系，直接将文件从硬盘拷贝到用户空间，只进行了 一次数据拷贝 。因此，内存映射的效率要比 read/write 效率高

下面这个程序，通过 read 和 mmap 两种方法分别对硬盘上一个名为 “mmap_test” 的文件进行操作，文件中存有 10000 个整数，程序两次使用不同的方法将它们读出，加1，再写回硬盘。通过对比可以看出，read 消耗的时间将近是 mmap 的两到三倍

#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);

}

输出结果：

Time of read/write: 154ms

Time of mmap: 68ms

linux 任务调度

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