Linux 下的内存映射 mmap：原理、用法和优势

内存映射 mmap 是 Linux 系统中一种重要的内存管理机制，它可以让用户空间的进程直接访问物理内存或者文件，而不需要通过系统调用或者复制数据。这样可以提高内存的利用率和访问效率，节省系统资源和时间。但是，你真的了解 mmap 的工作原理吗？你知道如何在 Linux 下使用 mmap 吗？你知道 mmap 的优势和局限性吗？本文将为你详细介绍 Linux 下的内存映射 mmap 的相关知识，让你在 Linux 下更好地使用和理解这个强大的内存管理工具。

二、基本函数

mmap函数是unix/linux下的系统调用，详细内容可参考《Unix Netword programming》卷二12.2节。

mmap系统调用并不是完全为了用于共享内存而设计的。它本身提供了不同于一般对普通文件的访问方式，进程可以像读写内存一样对普通文件的操作。而Posix或系统V的共享内存IPC则纯粹用于共享目的，当然mmap()实现共享内存也是其主要应用之一。

<code style="display: -webkit-box;font-family: Operator Mono, Consolas, Monaco, Menlo, monospace;border-radius: 0px;font-size: 12px"> **mmap系统调用使得进程之间通过映射同一个普通文件实现共享内存。普通文件被映射到进程地址空间后，进程可以像访问普通内存一样对文件进行访问，不必再调用read()，write（）等操作。mmap并不分配空间, 只是将文件映射到调用进程的地址空间里（但是会占掉你的 virutal memory）, 然后你就可以用memcpy等操作写文件, 而不用write()了.写完后，内存中的内容并不会立即更新到文件中，而是有一段时间的延迟，你可以调用msync()来显式同步一下, 这样你所写的内容就能立即保存到文件里了.这点应该和驱动相关。 不过通过mmap来写文件这种方式没办法增加文件的长度, 因为要映射的长度在调用mmap()的时候就决定了.如果想取消内存映射，可以调用munmap()来取消内存映射**
</code>

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

mmap用于把文件映射到内存空间中，简单说mmap就是把一个文件的内容在内存里面做一个映像。映射成功后，用户对这段内存区域的修改可以直接反映到内核空间，同样，内核空间对这段区域的修改也直接反映用户空间。那么对于内核空间用户空间两者之间需要大量数据传输等操作的话效率是非常高的。

原理

首先，“映射”这个词，就和数学课上说的“一一映射”是一个意思，就是建立一种一一对应关系，在这里主要是只 硬盘上文件 的位置与进程 逻辑地址空间 中一块大小相同的区域之间的一一对应，如图1中过程1所示。这种对应关系纯属是逻辑上的概念，物理上是不存在的，原因是进程的逻辑地址空间本身就是不存在的。在内存映射的过程中，并没有实际的数据拷贝，文件没有被载入内存，只是逻辑上被放入了内存，具体到代码，就是建立并初始化了相关的数据结构（struct address_space），这个过程有系统调用mmap()实现，所以建立内存映射的效率很高。

图1.内存映射原理

既然建立内存映射没有进行实际的数据拷贝，那么进程又怎么能最终直接通过内存操作访问到硬盘上的文件呢？那就要看内存映射之后的几个相关的过程了。

mmap()会返回一个指针ptr，它指向进程逻辑地址空间中的一个地址，这样以后，进程无需再调用read或write对文件进行读写，而只需要通过ptr就能够操作文件。但是ptr所指向的是一个逻辑地址，要操作其中的数据，必须通过MMU将逻辑地址转换成物理地址，如图1中过程2所示。这个过程与内存映射无关。

前面讲过，建立内存映射并没有实际拷贝数据，这时，MMU在地址映射表中是无法找到与ptr相对应的物理地址的，也就是MMU失败，将产生一个缺页中断，缺页中断的中断响应函数会在swap中寻找相对应的页面，如果找不到（也就是该文件从来没有被读入内存的情况），则会通过mmap()建立的映射关系，从硬盘上将文件读取到物理内存中，如图1中过程3所示。这个过程与内存映射无关。

如果在拷贝数据时，发现物理内存不够用，则会通过虚拟内存机制（swap）将暂时不用的物理页面交换到硬盘上，如图1中过程4所示。这个过程也与内存映射无关。

效率

从代码层面上看，从硬盘上将文件读入内存，都要经过文件系统进行数据拷贝，并且数据拷贝操作是由文件系统和硬件驱动实现的，理论上来说，拷贝数据的效率是一样的。但是通过内存映射的方法访问硬盘上的文件，效率要比read和write系统调用高，这是为什么呢？原因是read()是系统调用，其中进行了数据拷贝，它首先将文件内容从硬盘拷贝到内核空间的一个缓冲区，如图2中过程1，然后再将这些数据拷贝到用户空间，如图2中过程2，在这个过程中，实际上完成了 两次数据拷贝 ；而mmap()也是系统调用，如前所述，mmap()中没有进行数据拷贝，真正的数据拷贝是在缺页中断处理时进行的，由于mmap()将文件直接映射到用户空间，所以中断处理函数根据这个映射关系，直接将文件从硬盘拷贝到用户空间，只进行了 一次数据拷贝 。因此，内存映射的效率要比read/write效率高。

图2.read系统调用原理

下面这个程序，通过read和mmap两种方法分别对硬盘上一个名为“mmap_test”的文件进行操作，文件中存有10000个整数，程序两次使用不同的方法将它们读出，加1，再写回硬盘。通过对比可以看出，read消耗的时间将近是mmap的两到三倍。

  1 #include
  2 
  3 #include
  4 
  5 #include
  6 
  7 #include
  8 
  9 #include
 10 
 11 #include
 12 
 13 #include
 14 
 15 #include
 16 
 17 #include
 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; iif( 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; iprintf( "Time of mmap: %dms/n", tv2.tv_usec-tv1.tv_usec );
110 
111  
112 
113 return 0;
114 
115 }

通过本文，你应该对 Linux 下的内存映射 mmap 有了一个深入的了解，知道了它的定义、原理、用法和优势。你也应该明白了 mmap 的适用场景和注意事项，以及如何在 Linux 下正确地使用 mmap。我们建议你在需要高效地访问物理内存或者文件时，使用 mmap 来提高程序的性能和可移植性。同时，我们也提醒你在使用 mmap 时要注意一些潜在的风险和问题，如同步、保护、错误处理等。希望本文能够帮助你更好地使用 Linux 系统，让你在 Linux 下享受内存映射的便利和快感。

以上是Linux 下的内存映射 mmap：原理、用法和优势的详细内容。更多信息请关注PHP中文网其他相关文章！