mmap基礎(chǔ)概念

mmap是一種內(nèi)存映射文件的方法，即將一個(gè)文件或者其它對象映射到進(jìn)程的地址空間，實(shí)現(xiàn)文件磁盤地址和進(jìn)程虛擬地址空間中一段虛擬地址的一一對映關(guān)系。實(shí)現(xiàn)這樣的映射關(guān)系后，進(jìn)程就可以采用指針的方式讀寫操作這一段內(nèi)存，而系統(tǒng)會自動回寫臟頁面到對應(yīng)的文件磁盤上，即完成了對文件的操作而不必再調(diào)用read,write等系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。相反，內(nèi)核空間對這段區(qū)域的修改也直接反映用戶空間，從而可以實(shí)現(xiàn)不同進(jìn)程間的文件共享。如下圖所示：

由上圖可以看出，進(jìn)程的虛擬地址空間，由多個(gè)虛擬內(nèi)存區(qū)域構(gòu)成。虛擬內(nèi)存區(qū)域是進(jìn)程的虛擬地址空間中的一個(gè)同質(zhì)區(qū)間，即具有同樣特性的連續(xù)地址范圍。上圖中所示的text數(shù)據(jù)段（代碼段）、初始數(shù)據(jù)段、BSS數(shù)據(jù)段、堆、棧和內(nèi)存映射，都是一個(gè)獨(dú)立的虛擬內(nèi)存區(qū)域。而為內(nèi)存映射服務(wù)的地址空間處在堆棧之間的空余部分。

linux內(nèi)核使用vm_area_struct結(jié)構(gòu)來表示一個(gè)獨(dú)立的虛擬內(nèi)存區(qū)域，由于每個(gè)不同質(zhì)的虛擬內(nèi)存區(qū)域功能和內(nèi)部機(jī)制都不同，因此一個(gè)進(jìn)程使用多個(gè)vm_area_struct結(jié)構(gòu)來分別表示不同類型的虛擬內(nèi)存區(qū)域。各個(gè)vm_area_struct結(jié)構(gòu)使用鏈表或者樹形結(jié)構(gòu)鏈接，方便進(jìn)程快速訪問，如下圖所示：

vm_area_struct結(jié)構(gòu)中包含區(qū)域起始和終止地址以及其他相關(guān)信息，同時(shí)也包含一個(gè)vm_ops指針，其內(nèi)部可引出所有針對這個(gè)區(qū)域可以使用的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。這樣，進(jìn)程對某一虛擬內(nèi)存區(qū)域的任何操作需要用要的信息，都可以從vm_area_struct中獲得。mmap函數(shù)就是要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新的vm_area_struct結(jié)構(gòu)，并將其與文件的物理磁盤地址相連。具體步驟請看下一節(jié)。

mmap內(nèi)存映射原理

mmap內(nèi)存映射的實(shí)現(xiàn)過程，總的來說可以分為三個(gè)階段：

（一）進(jìn)程啟動映射過程，并在虛擬地址空間中為映射創(chuàng)建虛擬映射區(qū)域

1、進(jìn)程在用戶空間調(diào)用庫函數(shù)mmap，原型：void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

2、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

3、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

4、將新建的虛擬區(qū)結(jié)構(gòu)（vm_area_struct）插入進(jìn)程的虛擬地址區(qū)域鏈表或樹中

（二）調(diào)用內(nèi)核空間的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)mmap（不同于用戶空間函數(shù)），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

5、為映射分配了新的虛擬地址區(qū)域后，通過待映射的文件指針，在文件描述符表中找到對應(yīng)的文件描述符，通過文件描述符，鏈接到內(nèi)核“已打開文件集”中該文件的文件結(jié)構(gòu)體（struct file），每個(gè)文件結(jié)構(gòu)體維護(hù)著和這個(gè)已打開文件相關(guān)各項(xiàng)信息。

6、通過該文件的文件結(jié)構(gòu)體，鏈接到file_operations模塊，調(diào)用內(nèi)核函數(shù)mmap，其原型為：int mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)，不同于用戶空間庫函數(shù)。

7、內(nèi)核mmap函數(shù)通過虛擬文件系統(tǒng)inode模塊定位到文件磁盤物理地址。

8、通過remap_pfn_range函數(shù)建立頁表，即實(shí)現(xiàn)了文件地址和虛擬地址區(qū)域的映射關(guān)系。此時(shí)，這片虛擬地址并沒有任何數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到主存中。

（三）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

注：前兩個(gè)階段僅在于創(chuàng)建虛擬區(qū)間并完成地址映射，但是并沒有將任何文件數(shù)據(jù)的拷貝至主存。真正的文件讀取是當(dāng)進(jìn)程發(fā)起讀或?qū)懖僮鲿r(shí)。

9、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说刂酚成洌嬲挠脖P數(shù)據(jù)還沒有拷貝到內(nèi)存中，因此引發(fā)缺頁異常。

10、缺頁異常進(jìn)行一系列判斷，確定無非法操作后，內(nèi)核發(fā)起請求調(diào)頁過程。

11、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。

12、之后進(jìn)程即可對這片主存進(jìn)行讀或者寫的操作，如果寫操作改變了其內(nèi)容，一定時(shí)間后系統(tǒng)會自動回寫臟頁面到對應(yīng)磁盤地址，也即完成了寫入到文件的過程。

注：修改過的臟頁面并不會立即更新回文件中，而是有一段時(shí)間的延遲，可以調(diào)用msync()來強(qiáng)制同步, 這樣所寫的內(nèi)容就能立即保存到文件里了。

mmap和常規(guī)文件操作的區(qū)別

對linux文件系統(tǒng)不了解的朋友，請參閱我之前寫的博文《從內(nèi)核文件系統(tǒng)看文件讀寫過程》，我們首先簡單的回顧一下常規(guī)文件系統(tǒng)操作（調(diào)用read/fread等類函數(shù)）中，函數(shù)的調(diào)用過程：

1、進(jìn)程發(fā)起讀文件請求。

2、內(nèi)核通過查找進(jìn)程文件符表，定位到內(nèi)核已打開文件集上的文件信息，從而找到此文件的inode。

3、inode在address_space上查找要請求的文件頁是否已經(jīng)緩存在頁緩存中。如果存在，則直接返回這片文件頁的內(nèi)容。

4、如果不存在，則通過inode定位到文件磁盤地址，將數(shù)據(jù)從磁盤復(fù)制到頁緩存。之后再次發(fā)起讀頁面過程，進(jìn)而將頁緩存中的數(shù)據(jù)發(fā)給用戶進(jìn)程。

總結(jié)來說，常規(guī)文件操作為了提高讀寫效率和保護(hù)磁盤，使用了頁緩存機(jī)制。這樣造成讀文件時(shí)需要先將文件頁從磁盤拷貝到頁緩存中，由于頁緩存處在內(nèi)核空間，不能被用戶進(jìn)程直接尋址，所以還需要將頁緩存中數(shù)據(jù)頁再次拷貝到內(nèi)存對應(yīng)的用戶空間中。這樣，通過了兩次數(shù)據(jù)拷貝過程，才能完成進(jìn)程對文件內(nèi)容的獲取任務(wù)。寫操作也是一樣，待寫入的buffer在內(nèi)核空間不能直接訪問，必須要先拷貝至內(nèi)核空間對應(yīng)的主存，再寫回磁盤中（延遲寫回），也是需要兩次數(shù)據(jù)拷貝。

而使用mmap操作文件中，創(chuàng)建新的虛擬內(nèi)存區(qū)域和建立文件磁盤地址和虛擬內(nèi)存區(qū)域映射這兩步，沒有任何文件拷貝操作。而之后訪問數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)存中并無數(shù)據(jù)而發(fā)起的缺頁異常過程，可以通過已經(jīng)建立好的映射關(guān)系，只使用一次數(shù)據(jù)拷貝，就從磁盤中將數(shù)據(jù)傳入內(nèi)存的用戶空間中，供進(jìn)程使用。

總而言之，常規(guī)文件操作需要從磁盤到頁緩存再到用戶主存的兩次數(shù)據(jù)拷貝。而mmap操控文件，只需要從磁盤到用戶主存的一次數(shù)據(jù)拷貝過程。說白了，mmap的關(guān)鍵點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了用戶空間和內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)直接交互而省去了空間不同數(shù)據(jù)不通的繁瑣過程。因此mmap效率更高。

mmap優(yōu)點(diǎn)總結(jié)

由上文討論可知，mmap優(yōu)點(diǎn)共有一下幾點(diǎn)：

1、對文件的讀取操作跨過了頁緩存，減少了數(shù)據(jù)的拷貝次數(shù)，用內(nèi)存讀寫取代I/O讀寫，提高了文件讀取效率。

2、實(shí)現(xiàn)了用戶空間和內(nèi)核空間的高效交互方式。兩空間的各自修改操作可以直接反映在映射的區(qū)域內(nèi)，從而被對方空間及時(shí)捕捉。

3、提供進(jìn)程間共享內(nèi)存及相互通信的方式。不管是父子進(jìn)程還是無親緣關(guān)系的進(jìn)程，都可以將自身用戶空間映射到同一個(gè)文件或匿名映射到同一片區(qū)域。從而通過各自對映射區(qū)域的改動，達(dá)到進(jìn)程間通信和進(jìn)程間共享的目的。

     同時(shí)，如果進(jìn)程A和進(jìn)程B都映射了區(qū)域C，當(dāng)A***次讀取C時(shí)通過缺頁從磁盤復(fù)制文件頁到內(nèi)存中；但當(dāng)B再讀C的相同頁面時(shí)，雖然也會產(chǎn)生缺頁異常，但是不再需要從磁盤中復(fù)制文件過來，而可直接使用已經(jīng)保存在內(nèi)存中的文件數(shù)據(jù)。

4、可用于實(shí)現(xiàn)高效的大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸。內(nèi)存空間不足，是制約大數(shù)據(jù)操作的一個(gè)方面，解決方案往往是借助硬盤空間協(xié)助操作，補(bǔ)充內(nèi)存的不足。但是進(jìn)一步會造成大量的文件I/O操作，極大影響效率。這個(gè)問題可以通過mmap映射很好的解決。換句話說，但凡是需要用磁盤空間代替內(nèi)存的時(shí)候，mmap都可以發(fā)揮其功效。

mmap相關(guān)函數(shù)

函數(shù)原型

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

返回說明

成功執(zhí)行時(shí)，mmap()返回被映射區(qū)的指針。失敗時(shí)，mmap()返回MAP_FAILED[其值為(void *)-1]，error被設(shè)為以下的某個(gè)值：

參數(shù)

start：映射區(qū)的開始地址

length：映射區(qū)的長度

prot：期望的內(nèi)存保護(hù)標(biāo)志，不能與文件的打開模式?jīng)_突。是以下的某個(gè)值，可以通過or運(yùn)算合理地組合在一起

flags：指定映射對象的類型，映射選項(xiàng)和映射頁是否可以共享。它的值可以是一個(gè)或者多個(gè)以下位的組合體

fd：有效的文件描述詞。如果MAP_ANONYMOUS被設(shè)定，為了兼容問題，其值應(yīng)為-1

offset：被映射對象內(nèi)容的起點(diǎn)

相關(guān)函數(shù)

int munmap( void * addr, size_t len ) 

成功執(zhí)行時(shí)，munmap()返回0。失敗時(shí)，munmap返回-1，error返回標(biāo)志和mmap一致；

該調(diào)用在進(jìn)程地址空間中解除一個(gè)映射關(guān)系，addr是調(diào)用mmap()時(shí)返回的地址，len是映射區(qū)的大小；

當(dāng)映射關(guān)系解除后，對原來映射地址的訪問將導(dǎo)致段錯(cuò)誤發(fā)生。 

int msync( void *addr, size_t len, int flags )

一般說來，進(jìn)程在映射空間的對共享內(nèi)容的改變并不直接寫回到磁盤文件中，往往在調(diào)用munmap（）后才執(zhí)行該操作。

可以通過調(diào)用msync()實(shí)現(xiàn)磁盤上文件內(nèi)容與共享內(nèi)存區(qū)的內(nèi)容一致。

 mmap使用細(xì)節(jié)

1、使用mmap需要注意的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是，mmap映射區(qū)域大小必須是物理頁大小(page_size)的整倍數(shù)（32位系統(tǒng)中通常是4k字節(jié)）。原因是，內(nèi)存的最小粒度是頁，而進(jìn)程虛擬地址空間和內(nèi)存的映射也是以頁為單位。為了匹配內(nèi)存的操作，mmap從磁盤到虛擬地址空間的映射也必須是頁。

2、內(nèi)核可以跟蹤被內(nèi)存映射的底層對象（文件）的大小，進(jìn)程可以合法的訪問在當(dāng)前文件大小以內(nèi)又在內(nèi)存映射區(qū)以內(nèi)的那些字節(jié)。也就是說，如果文件的大小一直在擴(kuò)張，只要在映射區(qū)域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，進(jìn)程都可以合法得到，這和映射建立時(shí)文件的大小無關(guān)。具體情形參見“情形三”。

3、映射建立之后，即使文件關(guān)閉，映射依然存在。因?yàn)橛成涞氖谴疟P的地址，不是文件本身，和文件句柄無關(guān)。同時(shí)可用于進(jìn)程間通信的有效地址空間不完全受限于被映射文件的大小，因?yàn)槭前错撚成洹?/p>

在上面的知識前提下，我們下面看看如果大小不是頁的整倍數(shù)的具體情況：

情形一：一個(gè)文件的大小是5000字節(jié)，mmap函數(shù)從一個(gè)文件的起始位置開始，映射5000字節(jié)到虛擬內(nèi)存中。

分析：因?yàn)閱挝晃锢眄撁娴拇笮∈?096字節(jié)，雖然被映射的文件只有5000字節(jié)，但是對應(yīng)到進(jìn)程虛擬地址區(qū)域的大小需要滿足整頁大小，因此mmap函數(shù)執(zhí)行后，實(shí)際映射到虛擬內(nèi)存區(qū)域8192個(gè) 字節(jié)，5000~8191的字節(jié)部分用零填充。映射后的對應(yīng)關(guān)系如下圖所示：

此時(shí)：

（1）讀/寫前5000個(gè)字節(jié)（0~4999），會返回操作文件內(nèi)容。

（2）讀字節(jié)5000~8191時(shí)，結(jié)果全為0。寫5000~8191時(shí)，進(jìn)程不會報(bào)錯(cuò)，但是所寫的內(nèi)容不會寫入原文件中 。

（3）讀/寫8192以外的磁盤部分，會返回一個(gè)SIGSECV錯(cuò)誤。

情形二：一個(gè)文件的大小是5000字節(jié)，mmap函數(shù)從一個(gè)文件的起始位置開始，映射15000字節(jié)到虛擬內(nèi)存中，即映射大小超過了原始文件的大小。

分析：由于文件的大小是5000字節(jié)，和情形一一樣，其對應(yīng)的兩個(gè)物理頁。那么這兩個(gè)物理頁都是合法可以讀寫的，只是超出5000的部分不會體現(xiàn)在原文件中。由于程序要求映射15000字節(jié)，而文件只占兩個(gè)物理頁，因此8192字節(jié)~15000字節(jié)都不能讀寫，操作時(shí)會返回異常。如下圖所示：

此時(shí)：

（1）進(jìn)程可以正常讀/寫被映射的前5000字節(jié)(0~4999)，寫操作的改動會在一定時(shí)間后反映在原文件中。

（2）對于5000~8191字節(jié)，進(jìn)程可以進(jìn)行讀寫過程，不會報(bào)錯(cuò)。但是內(nèi)容在寫入前均為0，另外，寫入后不會反映在文件中。

（3）對于8192~14999字節(jié)，進(jìn)程不能對其進(jìn)行讀寫，會報(bào)SIGBUS錯(cuò)誤。

（4）對于15000以外的字節(jié)，進(jìn)程不能對其讀寫，會引發(fā)SIGSEGV錯(cuò)誤。

情形三：一個(gè)文件初始大小為0，使用mmap操作映射了1000*4K的大小，即1000個(gè)物理頁大約4M字節(jié)空間，mmap返回指針ptr。

分析：如果在映射建立之初，就對文件進(jìn)行讀寫操作，由于文件大小為0，并沒有合法的物理頁對應(yīng)，如同情形二一樣，會返回SIGBUS錯(cuò)誤。

但是如果，每次操作ptr讀寫前，先增加文件的大小，那么ptr在文件大小內(nèi)部的操作就是合法的。例如，文件擴(kuò)充4096字節(jié)，ptr就能操作ptr ~ [ (char)ptr + 4095]的空間。只要文件擴(kuò)充的范圍在1000個(gè)物理頁（映射范圍）內(nèi)，ptr都可以對應(yīng)操作相同的大小。

這樣，方便隨時(shí)擴(kuò)充文件空間，隨時(shí)寫入文件，不造成空間浪費(fèi)。