linux內存映射mmap原理分析

內存映射，簡而言之就是將用戶空間的一段內存區域映射到內核空間，映射成功後，用戶對這段內存區域的修改能夠直接反映到內核空間，一樣，內核空間對這段區域的修改也直接反映用戶空間。那麼對於內核空間<---->用戶空間二者之間須要大量數據傳輸等操做的話效率是很是高的。

如下是一個把廣泛文件映射到用戶空間的內存區域的示意圖。

圖一：

2、基本函數

    mmap函數是unix/linux下的系統調用，詳細內容可參考《Unix Netword programming》卷二12.2節。

mmap系統調用並非徹底爲了用於共享內存而設計的。它自己提供了不一樣於通常對普通文件的訪問方式，進程能夠像讀寫內存同樣對普通文件的操做。而Posix或系統V的共享內存IPC則純粹用於共享目的，固然mmap()實現共享內存也是其主要應用之一。

          mmap系統調用使得進程之間經過映射同一個普通文件實現共享內存。普通文件被映射到進程地址空間後，進程能夠像訪問普通內存同樣對文件進行訪問，沒必要再調用read()，write（）等操做。mmap並不分配空間, 只是將文件映射到調用進程的地址空間裏（可是會佔掉你的 virutal memory）, 而後你就能夠用memcpy等操做寫文件, 而不用write()了.寫完後，內存中的內容並不會當即更新到文件中，而是有一段時間的延遲，你能夠調用msync()來顯式同步一下, 這樣你所寫的內容就能當即保存到文件裏了.這點應該和驅動相關。 不過經過mmap來寫文件這種方式沒辦法增長文件的長度, 由於要映射的長度在調用mmap()的時候就決定了.若是想取消內存映射，能夠調用munmap()來取消內存映射

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

mmap用於把文件映射到內存空間中，簡單說mmap就是把一個文件的內容在內存裏面作一個映像。映射成功後，用戶對這段內存區域的修改能夠直接反映到內核空間，一樣，內核空間對這段區域的修改也直接反映用戶空間。那麼對於內核空間<---->用戶空間二者之間須要大量數據傳輸等操做的話效率是很是高的。

 

 

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，就是創建一種一一對應關係，在這裏主要是隻 硬盤上文件 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，緣由是進程的邏輯地址空間自己就是不存在的。在內存映射的過程當中，並無實際的數據拷貝，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，就是創建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，因此創建內存映射的效率很高。

 

圖1.內存映射原理  

 

 

 

 

既然創建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經過內存操做訪問到硬盤上的文件呢？那就要看內存映射以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，這樣之後，進程無需再調用read或write對文件進行讀寫，而只須要經過ptr就可以操做文件。可是ptr所指向的是一個邏輯地址，要操做其中的數據，必須經過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，創建內存映射並無實際拷貝數據，這時，MMU在地址映射表中是沒法找到與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，若是找不到（也就是該文件歷來沒有被讀入內存的狀況），則會經過mmap()創建的映射關係，從硬盤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。

 

若是在拷貝數據時，發現物理內存不夠用，則會經過虛擬內存機制（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。這個過程也與內存映射無關。

 

 

效率

 

從代碼層面上看，從硬盤上將文件讀入內存，都要通過文件系統進行數據拷貝，而且數據拷貝操做是由文件系統和硬件驅動實現的，理論上來講，拷貝數據的效率是同樣的。可是經過內存映射的方法訪問硬盤上的文件，效率要比read和write系統調用高，這是爲何呢？緣由是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盤拷貝到內核空間的一個緩衝區，如圖2中過程1，而後再將這些數據拷貝到用戶空間，如圖2中過程2，在這個過程當中，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，因爲mmap()將文件直接映射到用戶空間，因此中斷處理函數根據這個映射關係，直接將文件從硬盤拷貝到用戶空間，只進行了 一次數據拷貝 。所以，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，經過read和mmap兩種方法分別對硬盤上一個名爲「mmap_test」的文件進行操做，文件中存有10000個整數，程序兩次使用不一樣的方法將它們讀出，加1，再寫回硬盤。經過對比能夠看出，read消耗的時間將近是mmap的兩到三倍。

 

  1 #include<unistd.h>
  2 
  3 #include<stdio.h>
  4 
  5 #include<stdlib.h>
  6 
  7 #include<string.h>
  8 
  9 #include<sys/types.h>
 10 
 11 #include<sys/stat.h>
 12 
 13 #include<sys/time.h>
 14 
 15 #include<fcntl.h>
 16 
 17 #include<sys/mman.h>
 18 
 19  
 20 
 21 #define MAX 10000
 22 
 23  
 24 
 25 int main()
 26 
 27 {
 28 
 29 int i=0;
 30 
 31 int count=0, fd=0;
 32 
 33 struct timeval tv1, tv2;
 34 
 35 int *array = (int *)malloc( sizeof(int)*MAX );
 36 
 37  
 38 
 39 /*read*/
 40 
 41  
 42 
 43 gettimeofday( &tv1, NULL );
 44 
 45 fd = open( "mmap_test", O_RDWR );
 46 
 47 if( sizeof(int)*MAX != read( fd, (void *)array, sizeof(int)*MAX ) )
 48 
 49 {
 50 
 51 printf( "Reading data failed.../n" );
 52 
 53 return -1;
 54 
 55 }
 56 
 57 for( i=0; i<MAX; ++i )
 58 
 59  
 60 
 61 ++array[ i ];
 62 
 63 if( sizeof(int)*MAX != write( fd, (void *)array, sizeof(int)*MAX ) )
 64 
 65 {
 66 
 67 printf( "Writing data failed.../n" );
 68 
 69 return -1;
 70 
 71 }
 72 
 73 free( array );
 74 
 75 close( fd );
 76 
 77 gettimeofday( &tv2, NULL );
 78 
 79 printf( "Time of read/write: %dms/n", tv2.tv_usec-tv1.tv_usec );
 80 
 81  
 82 
 83 /*mmap*/
 84 
 85  
 86 
 87 gettimeofday( &tv1, NULL );
 88 
 89 fd = open( "mmap_test", O_RDWR );
 90 
 91 array = mmap( NULL, sizeof(int)*MAX, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0 );
 92 
 93 for( i=0; i<MAX; ++i )
 94 
 95  
 96 
 97 ++array[ i ];
 98 
 99 munmap( array, sizeof(int)*MAX );
100 
101 msync( array, sizeof(int)*MAX, MS_SYNC );
102 
103 free( array );
104 
105 close( fd );
106 
107 gettimeofday( &tv2, NULL );
108 
109 printf( "Time of mmap: %dms/n", tv2.tv_usec-tv1.tv_usec );
110 
111  
112 
113 return 0;
114 
115 }

 

輸出結果：

Time of read/write: 154ms

Time of mmap: 68ms