Linux內存映射mmap原理分析

知識 12-13

來自：Joe James

鏈接：https://blog.csdn.net/joejames/article/details/37958017

一直都對內存映射文件這個概念很模糊，不知道它和虛擬內存有什麼區別，而且映射這個詞也很讓人迷茫，今天終於搞清楚了。。。下面，我先解釋一下我對映射這個詞的理解，再區分一下幾個容易混淆的概念，之後，什麼是內存映射就很明朗了。

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係，在這裡主要是只

硬碟上文件

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。這種對應關係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，並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，就是建立並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，那麼進程又怎麼能最終直接通過內存操作訪問到硬碟上的文件呢？那就要看內存映射之後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，這樣以後，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，建立內存映射並沒有實際拷貝數據，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()建立的映射關係，從硬碟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碟上，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，從硬碟上將文件讀入內存，都要經過文件系統進行數據拷貝，並且數據拷貝操作是由文件系統和硬體驅動實現的，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碟上的文件，效率要比read和write系統調用高，這是為什麼呢？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碟拷貝到內核空間的一個緩衝區，如圖2中過程1，然後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()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，由於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係，直接將文件從硬碟拷貝到用戶空間，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。

圖2.read系統調用原理

下面這個程序，通過read和mmap兩種方法分別對硬碟上一個名為「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，再寫回硬碟。通過對比可以看出，read消耗的時間將近是mmap的兩到三倍。

#

include

<unistd.h>


#
include
<stdio.h>

#
include
 
<stdlib.h>

#
include
<string.h>

#
include
<sys/types.h>

#
include
<sys/stat.h>
 

#
include
<sys/time.h>

#
include
<fcntl.h>

#
include
<sys/mman.h>

#
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
: 154
ms
Time of
 mmap: 68
ms

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