探索内存原理的内存映射文件 (图文详解)

一直都对内存映射文件这个概念很模糊，不知道它和虚拟内存有什么区别，而且映射这个词也很让人迷茫，今天终于搞清楚了。下面，我先解释一下我对映射这个词的理解，再区分一下几个容易混淆的概念，之后，什么是内存映射就很明朗了。

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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。

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。

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。

#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 10000
int 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;
}

输出结果：

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

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