來自：Joe James

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一直都對內(nèi)存映射文件這個概念很模糊，不知道它和虛擬內(nèi)存有什么區(qū)別，而且映射這個詞也很讓人迷茫，今天終于搞清楚了。。。下面，我先解釋一下我對映射這個詞的理解，再區(qū)分一下幾個容易混淆的概念，之后，什么是內(nèi)存映射就很明朗了。

原理

首先，“映射”這個詞，就和數(shù)學(xué)課上說的“一一映射”是一個意思，就是建立一種一一對應(yīng)關(guān)系，在這里主要是只?硬盤上文件?的位置與進(jìn)程?邏輯地址空間?中一塊大小相同的區(qū)域之間的一一對應(yīng)，如圖1中過程1所示。這種對應(yīng)關(guān)系純屬是邏輯上的概念，物理上是不存在的，原因是進(jìn)程的邏輯地址空間本身就是不存在的。在內(nèi)存映射的過程中，并沒有實際的數(shù)據(jù)拷貝，文件沒有被載入內(nèi)存，只是邏輯上被放入了內(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)（struct?address_space），這個過程有系統(tǒng)調(diào)用mmap()實現(xiàn)，所以建立內(nèi)存映射的效率很高。

圖1.內(nèi)存映射原理??

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既然建立內(nèi)存映射沒有進(jìn)行實際的數(shù)據(jù)拷貝，那么進(jìn)程又怎么能最終直接通過內(nèi)存操作訪問到硬盤上的文件呢？那就要看內(nèi)存映射之后的幾個相關(guān)的過程了。

mmap()會返回一個指針ptr，它指向進(jìn)程邏輯地址空間中的一個地址，這樣以后，進(jìn)程無需再調(diào)用read或write對文件進(jìn)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(shù)據(jù)，必須通過MMU將邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址，如圖1中過程2所示。這個過程與內(nèi)存映射無關(guān)。?

前面講過，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。這個過程與內(nèi)存映射無關(guān)。

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(jī)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(nèi)存映射無關(guān)。

效率

從代碼層面上看，從硬盤上將文件讀入內(nèi)存，都要經(jīng)過文件系統(tǒng)進(jìn)行數(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。但是通過內(nèi)存映射的方法訪問硬盤上的文件，效率要比read和write系統(tǒng)調(diào)用高，這是為什么呢？原因是read()是系統(tǒng)調(diào)用，其中進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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。

圖2.read系統(tǒng)調(diào)用原理

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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(jìn)行操作，文件中存有10000個整數(shù)，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<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?10000int?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(jié)果：

Time?of?read/write:?154ms Time?of?mmap:?68ms

總結(jié)

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

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