mmap爲何比read/write快(兼論buffercache和pagecache)

參考文獻：

《從內核文件系統看文件讀寫過程》http://www.cnblogs.com/huxiao-tee/p/4660352.html?utm_source=tuicool&utm_medium=referral

 

《mmap是什麼》http://www.cnblogs.com/huxiao-tee/p/4660352.html?utm_source=tuicool&utm_medium=referral

 

正文：

 

      首先說一下文件系統，Linux文件系統的三層結構想必你們多少都瞭解一些，每一個進程中都有一個用戶文件描述符表，表項指向一個全局的文件表中的某個表項，文件表表項有一個指向內存inode的指針，每一個inode惟一標識一個文件。若是同時有多個進程打開同一文件，他們的用戶文件描述符表項指向不一樣的文件表項，可是這些文件表項會指向同一個inode。

 

     此時又會引出另一個東東：page cache。內核會爲每一個文件單獨維護一個page cache，用戶進程對於文件的大多數讀寫操做會直接做用到page cache上，內核會選擇在適當的時候將page cache中的內容寫到磁盤上（固然咱們能夠手工fsync控制回寫），這樣能夠大大減小磁盤的訪問次數，從而提升性能。Page cache是linux內核文件訪問過程當中很重要的數據結構，page cache中會保存用戶進程訪問過得該文件的內容，這些內容以頁爲單位保存在內存中，當用戶須要訪問文件中的某個偏移量上的數據時，內核會以偏移量爲索引，找到相應的內存頁，若是該頁沒有讀入內存，則須要訪問磁盤讀取數據。爲了提升頁得查詢速度同時節省page cache數據結構佔用的內存，linux內核使用樹來保存page cache中的頁。

 

     在瞭解了以上的基礎以後，咱們就來比較一下mmap和read/write的區別，先說一下read/write系統調用，read/write系統調用會有如下的操做：

 

1. 訪問文件，這涉及到用戶態到內核態的轉換
2. 讀取硬盤文件中的對應數據，內核會採用預讀的方式，好比咱們須要訪問100字節，內核實際會將按照4KB(內存頁的大小)存儲在page cache中
3. 將read中須要的數據，從page cache中拷貝到用戶緩衝區中

 

     整個過程仍是比較艱辛的，基本上涉及到用戶內核態的切換，還有就是數據拷貝接下來繼續說mmap吧，mmap系統調用是將硬盤文件映射到用內存中，說的底層一些是將page cache中的頁直接映射到用戶進程地址空間中，從而進程能夠直接訪問自身地址空間的虛擬地址來訪問page cache中的頁，這樣會並涉及page cache到用戶緩衝區之間的拷貝，mmap系統調用與read/write調用的區別在於：

 

1. mmap只須要一次系統調用，後續操做不須要系統調用
2. 訪問的數據不須要在page cache和用戶緩衝區之間拷貝

 

     從上所述，當頻繁對一個文件進行讀取操做時，mmap會比read高效一些。

 

     最後再說一下page cache的話題，從上面所說咱們從磁盤文件中讀取的內容都會存在page cache中，但當咱們關閉這個文件時，page cache中內容會立馬釋放掉嗎？答案是否，磁盤的讀取速度比內存慢太多，若是能命中page cache能夠顯著提高性能，萬一後續又有對這個文件的操做，系統就能夠很快速的響應。固然，這些文件內容也不是一直存在page cache中的，通常只要系統有空閒物理內存，內核都會拿來當緩存使用，但當物理內存不夠用，內存會清理出部分page cache應急，這也就是告訴咱們程序對於物理內存的使用能省則省，交給內核使用，做用很大。

 

     還有就是普通的write調用只是將數據寫到page cache中，並將其標記爲dirty就返回了，磁盤I/O一般不會當即執行，這樣作的好處是減小磁盤的回寫次數，提供吞吐率，不足就是機器一旦意外掛掉，page cache中的數據就會丟失。通常安全性比較高的程序會在每次write以後，調用fsync當即將page cache中的內容回寫到磁盤中。