Java內(nèi)存映射原理與實現(xiàn)

• 01. 虛擬內(nèi)存與內(nèi)存映射文件
• • 1.1. 概念
  • 1.2 區(qū)別
• 02. 內(nèi)存映射文件的原理
• 03. 內(nèi)存映射文件的效率

01. 虛擬內(nèi)存與內(nèi)存映射文件

1.1. 概念

• 虛擬內(nèi)存
  虛擬內(nèi)存屬于硬盤的一部分，是計算機RAM與硬盤的數(shù)據(jù)交換分區(qū)。

  由于實際的物理內(nèi)存遠小于進程的地址空間，這就需要把內(nèi)存中暫時不用到的數(shù)據(jù)放到硬盤上一個特殊的地方，當請求的數(shù)據(jù)不在內(nèi)存中時，系統(tǒng)產(chǎn)生卻頁中斷，內(nèi)存管理器便將對應(yīng)的內(nèi)存頁重新從硬盤調(diào)入物理內(nèi)存。

• 內(nèi)存映射文件
  內(nèi)存映射文件是由一個文件到一塊內(nèi)存的映射。

  應(yīng)用程序可以通過內(nèi)存指針對磁盤上的文件進行訪問，就如同訪問加載了文件的內(nèi)存，因此內(nèi)存文件映射非常適合于用來管理大文件。

1.2 區(qū)別

• 磁盤文件
  虛擬內(nèi)存使用的硬盤只能是頁面文件
  內(nèi)存映射使用的磁盤可以是任何磁盤文件。
• 架構(gòu)

虛擬內(nèi)存是架構(gòu)在物理內(nèi)存之上。

引入原因：實際的物理內(nèi)存運行程序所需的空間。即使現(xiàn)在計算機中的物理內(nèi)存越來越大，程序的尺寸也在增長，將所有運行著的程序全部加載到內(nèi)存中不經(jīng)濟也非常不現(xiàn)實。

內(nèi)存映射文件架構(gòu)在程序的地址空間之上

32位機地址空間只有4G，而某些大文件的尺寸可要要遠超出這個值，因此，用地址空間中的某段應(yīng)用文件中的一部分可解決處理大文件的問題，在32中，使用內(nèi)存映射文件可以處理2的64次（64EB）大小的文件.原因內(nèi)存映射文件，除了處理大文件，還可用作進程間通信。

02. 內(nèi)存映射文件的原理

“映射”就是建立一種對應(yīng)關(guān)系，主要是指硬盤上文件的位置與進程邏輯地址空間中一塊相同區(qū)域之間一一對應(yīng)。這種關(guān)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(nèi)存映射過程中，并沒有實際的數(shù)據(jù)拷貝，文件沒有被載入內(nèi)存，只是邏輯上放入了內(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)，這個過程有系統(tǒng)調(diào)用mmap()實現(xiàn)，所以映射的效率很高。

上面說到建立內(nèi)存映射沒有進行實際的數(shù)據(jù)拷貝，那么進程又怎么能最終通過內(nèi)存操作訪問到硬盤上的文件呢?

調(diào)用mmap()，相當于要給內(nèi)存映射文件分配了虛擬內(nèi)存，它會返回一個指針ptr，這個ptr所指向的是一個邏輯地址，要操作其中的數(shù)據(jù)，必須通過MMU（Memory Management Unit，即內(nèi)存管理單元）將邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址，如圖1中過程2所示。

建立內(nèi)存映射并沒有實際拷貝數(shù)據(jù)，這時MMU在地址映射表中是無法找到與ptr相對應(yīng)的物理地址的，也就是MMU失敗，將產(chǎn)生一個缺頁中斷，缺頁中斷的中斷響應(yīng)函數(shù)會在swap（也就是交換分區(qū)）中尋找相對應(yīng)的頁面，如果找不到（也就是該文件從來沒有被讀入內(nèi)存的情況），則會通過mmap()建立的映射關(guān)系，從硬盤上將文件讀取到物理內(nèi)存中，如圖1中過程3所示。

如果在拷貝數(shù)據(jù)時，發(fā)現(xiàn)物理內(nèi)存不夠用，則會通過虛擬內(nèi)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。

03. 內(nèi)存映射文件的效率

了解過內(nèi)存映射文件都知道，它比傳統(tǒng)的IO讀寫數(shù)據(jù)快很多，那么，它為什么會這么快，從代碼層面上來看，從硬盤上將文件讀入內(nèi)存，都是要經(jīng)過數(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)動實現(xiàn)的，理論上來說，拷貝數(shù)據(jù)的效率是一 樣的。其實，原因是read()是系統(tǒng)調(diào)用，其中進行了數(shù)據(jù)拷貝，它首先將文件內(nèi)容從硬盤拷貝到內(nèi)核空間的一個緩沖區(qū)，如圖2中過程1，然后再將這些數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)拷貝 ；而mmap()也是系統(tǒng)調(diào)用，如前所述，mmap()中沒有進行數(shù)據(jù)拷貝，真正的數(shù)據(jù)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(shù)根據(jù)這個映射關(guān)系，直接將文件從硬盤拷貝到用戶空間，只進行了 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。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的Java内存映射原理与实现的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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