1、進(jìn)行虛擬內(nèi)存結(jié)構(gòu)體

　　前文《虛擬內(nèi)存管理》我們講到每個(gè)進(jìn)程的結(jié)構(gòu)體task_struct中都有一個(gè)內(nèi)存描述結(jié)構(gòu)體mm_struct。 mm_struct此結(jié)構(gòu)體描述了進(jìn)程占用虛擬內(nèi)存的情況，包含每個(gè)內(nèi)存段的起始地址、結(jié)束地址。

　　如下圖，除了固定的代碼段、數(shù)據(jù)段、BSS段、堆、棧，還有一個(gè)MMAP 段，此段為程序員自己通過mmap()函數(shù)主動生成的一個(gè)段，用于將磁盤文檔映射到內(nèi)存中以增加文件訪問效率（也可進(jìn)行進(jìn)程通信）的一種手段。

　　上述每個(gè)段都會生成一個(gè)VMA結(jié)構(gòu)體。

2、mmap()的使用方法

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

　　start ：? 指向欲映射的內(nèi)存起始地址，通常設(shè)為 NULL，代表讓系統(tǒng)自動選定地址，映射成功后返回該地址。

? ?length：? 代表將文件中多大的部分映射到內(nèi)存。

? ?prot? ：? 映射區(qū)域的保護(hù)方式。可以為以下幾種方式的組合：

? ? ? ? PROT_EXEC 映射區(qū)域可被執(zhí)行

? ? ? ? PROT_READ 映射區(qū)域可被讀取

? ? ? ? PROT_WRITE 映射區(qū)域可被寫入

? ? ? ? PROT_NONE 映射區(qū)域不能存取——需要小于等于文件打開的權(quán)限一致

? ?flags ：? 影響映射區(qū)域的各種特性。在調(diào)用mmap()時(shí)必須要指定MAP_SHARED 或MAP_PRIVATE。

? ? ? ? MAP_FIXED 如果參數(shù)start所指的地址無法成功建立映射時(shí)，則放棄映射，不對地址做修正。通常不鼓勵用此旗標(biāo)。

? ? ? ? MAP_SHARED 對映射區(qū)域的寫入數(shù)據(jù)會復(fù)制回文件內(nèi)，而且允許其他映射該文件的進(jìn)程共享。

? ? ? ? MAP_PRIVATE 對映射區(qū)域的寫入操作會產(chǎn)生一個(gè)映射文件的復(fù)制，即私人的“寫入時(shí)復(fù)制”（copy on write）對此區(qū)域作的任何修改都不會寫回原來的文件內(nèi)容。

? ? ? ? MAP_ANONYMOUS建立匿名映射。此時(shí)會忽略參數(shù)fd，不涉及文件，而且映射區(qū)域無法和其他進(jìn)程共享。

? ? ? ? MAP_DENYWRITE只允許對映射區(qū)域的寫入操作，其他對文件直接寫入的操作將會被拒絕。

? ? ? ? MAP_LOCKED 將映射區(qū)域鎖定住，這表示該區(qū)域不會被置換（swap）。

? ?fd? ? ：? 要映射到內(nèi)存中的文件描述符。如果使用匿名內(nèi)存映射時(shí)，即flags中設(shè)置了MAP_ANONYMOUS，fd設(shè)為-1。有些系統(tǒng)不支持匿名內(nèi)存映射，則可以使用fopen打開/dev/zero文件，然后對該文件進(jìn)行映射，可以同樣達(dá)到匿名內(nèi)存映射的效果。

? ?offset：文件映射的偏移量，通常設(shè)置為0，代表從文件最前方開始對應(yīng)，offset必須是PAGE_SIZE的整數(shù)倍。

返回值：若映射成功則返回映射區(qū)的內(nèi)存起始地址，否則返回MAP_FAILED(－1)，錯誤原因存于errno 中。

int munmap(void *start, size_t length);——解除mmap的映射

int msync ( void * addr , size_t len, int flags);? ——文件回寫

3、mmap()的作用，將文件或者其他對象映射到內(nèi)存中，使文件操作像通過指針操作內(nèi)存一樣簡單快速

　　其主要有兩個(gè)用途，下面我們就從這兩個(gè)方面來講述：

• 內(nèi)存映射
• 進(jìn)程通信

4、內(nèi)存映射，傳統(tǒng)文件訪問緩慢，內(nèi)存映射后操作文件速度加快

　　傳統(tǒng)文件訪問的缺點(diǎn)：

• 效率低：應(yīng)用程序通過read,write,ioctl來訪問硬件設(shè)備，它們都要經(jīng)過兩次的數(shù)據(jù)拷貝，一次是用戶空間和內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)拷貝，另外一次是內(nèi)核空間和硬件之間的數(shù)據(jù)拷貝。
• 浪費(fèi)空間： 訪問文件的傳統(tǒng)方法是用open打開它們, 如果有多個(gè)進(jìn)程訪問同一個(gè)文件, 則每一個(gè)進(jìn)程在自己的地址空間都包含有該文件的副本,這不必要地浪費(fèi)了存儲空間.??

　　　　下圖說明了兩個(gè)進(jìn)程同時(shí)讀一個(gè)文件的同一頁的情形. 系統(tǒng)要將該頁從磁盤讀到高速緩沖區(qū)中, 每個(gè)進(jìn)程再執(zhí)行一個(gè)存儲器內(nèi)的復(fù)制操作將數(shù)據(jù)從高速緩沖區(qū)讀到自己的地址空間.?

　　

　　

通過將磁盤文件映射到內(nèi)存中，從而使文件訪問更加高效簡單：
　　眾多內(nèi)存數(shù)據(jù)庫如MongoDB操作數(shù)據(jù),就是把文件磁盤內(nèi)容映射到內(nèi)存中進(jìn)行處理

5、共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)進(jìn)行通信

進(jìn)程A和進(jìn)程B都將該頁映射到自己的地址空間, 當(dāng)進(jìn)程A第一次訪問該頁中的數(shù)據(jù)時(shí), 它生成一個(gè)缺頁中斷. 內(nèi)核此時(shí)讀入這一頁到內(nèi)存并更新頁表使之指向它.以后,

當(dāng)進(jìn)程B訪問同一頁面而出現(xiàn)缺頁中斷時(shí), 該頁已經(jīng)在內(nèi)存, 內(nèi)核只需要將進(jìn)程B的頁表登記項(xiàng)指向次頁即可。

6、共享內(nèi)存比管道的優(yōu)勢：共享內(nèi)存比管道和消息隊(duì)列效率高

　　共享內(nèi)存和消息隊(duì)列，FIFO，管道傳遞消息的區(qū)別：
　　——消息隊(duì)列，FIFO，管道的消息傳遞方式一般為
　　　　1：服務(wù)器得到輸入
　　　　2：通過管道，消息隊(duì)列寫入數(shù)據(jù)，通常需要從進(jìn)程拷貝到內(nèi)核。
　　　　3：客戶從內(nèi)核拷貝到進(jìn)程
　　　　4：然后再從進(jìn)程中拷貝到輸出文件
　　上述過程通常要經(jīng)過4次拷貝，才能完成文件的傳遞。
　　——共享內(nèi)存只需要
　　　　1:從輸入文件到共享內(nèi)存區(qū)
　　　　2:從共享內(nèi)存區(qū)輸出到文件

下面是舉例：

7、mmap注意事項(xiàng)

?

?最終被映射文件的內(nèi)容的長度不會超過文件本身的初始大小，即映射不能改變文件的大小。文件被映射部分而不是整個(gè)文件決定了進(jìn)程能夠訪問的空間大小

?8、mmap的實(shí)現(xiàn)

• 映射時(shí)，在虛擬地址空間中為你創(chuàng)建虛擬映射區(qū)域

　　　　進(jìn)程在用戶空間調(diào)用庫函數(shù)mmap

　　　　在當(dāng)前進(jìn)程的虛擬地址空間中，尋找一段空閑的滿足要求的連續(xù)的虛擬地址
　　　　為此虛擬區(qū)分配一個(gè)vm_area_struct結(jié)構(gòu)，接著對這個(gè)結(jié)構(gòu)的各個(gè)域進(jìn)行了初始化

• 調(diào)用內(nèi)核空間的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)mmap，實(shí)現(xiàn)文件物理地址和進(jìn)程虛擬地址的一一映射關(guān)系

　　　　完成以上兩部后，這片虛擬地址并沒有任何數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到主存中。

• 進(jìn)程發(fā)起對這片映射空間的訪問，引發(fā)缺頁異常，實(shí)現(xiàn)文件內(nèi)容到物理內(nèi)存（主存）的拷貝

　　進(jìn)程的讀或?qū)懖僮髟L問虛擬地址空間這一段映射地址，通過查詢頁表，
　　　　發(fā)現(xiàn)這一段地址并不在物理頁面上。因?yàn)槟壳爸唤⒘说刂酚成?#xff0c;真正
　　　　的硬盤數(shù)據(jù)還沒有拷貝到內(nèi)存中，因此引發(fā)缺頁異常。處理缺頁異常時(shí)
　　　　發(fā)現(xiàn)對于的數(shù)據(jù)還沒有寫入內(nèi)存，于是會將文件數(shù)據(jù)換入內(nèi)存。
　　調(diào)頁過程先在交換緩存空間（swap cache）中尋找需要訪問的內(nèi)存頁，如
　　　　果沒有則調(diào)用nopage函數(shù)把所缺的頁從磁盤裝入到主存中

?

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的mmap内存映射学习笔记的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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