操作系统：图文详解神秘的”内存映射“

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前言

• 内存映射 在 Linux操作系统中非常重要，因为其涉及到高效的跨进程通信 & 文件操作
• 今天，我将详细讲解操作系统中核心概念：内存映射

目录

示意图

1. 定义

关联 进程中的1个虚拟内存区域 & 1个磁盘上的对象，使得二者存在映射关系

1. 上述的映射过程 = 初始化该虚拟内存区域
2. 虚拟内存区域被初始化后，就会在交换空间中换你来还去
3. 被映射的对象称为：共享对象（普通文件 / 匿名文件）

2. 作用

若存在上述映射关系，则具备以下特征

• 在多个进程的虚拟内存区域 已和同1个共享对象 建立映射关系的前提下
• 若 其中1个进程对该虚拟区域进行写操作
• 那么，对于 也把该共享对象映射到其自身虚拟内存区域的进程 也是可见的

示意图如下

1. 假设进程1、2的虚拟内存区域同时映射到同1个共享对象；
2. 当进程1对其虚拟内存区域进行写操作时，也会映射到进程2中的虚拟内存区域

示意图

3. 实现过程

• 内存映射的实现过程主要是通过Linux系统下的系统调用函数：mmap（）
• 该函数的作用 = 创建虚拟内存区域 + 与共享对象建立映射关系
• 其函数原型、具体使用 & 内部流程 如下

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

/**
  * 具体使用（用户进程调用mmap（））
  * 下述代码即常见了一片大小 = MAP_SIZE的接收缓存区 & 关联到共享对象中（即建立映射）
  */
  mmap(NULL, MAP_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);

/**
  * 内部原理
  * 步骤1：创建虚拟内存区域
  * 步骤2：实现地址映射关系，即：进程的虚拟地址空间 ->> 共享对象
  * 注： 
  *    a. 此时，该虚拟地址并没有任何数据关联到文件中，仅仅只是建立映射关系
  *    b. 当其中1个进程对虚拟内存写入数据时，则真正实现了数据的可见
  */

4. 特点

• 提高数据的读、写 & 传输的时间性能
  1. 减少了数据拷贝次数
  2. 用户空间 & 内核空间的高效交互（通过映射的区域 直接交互）
  3. 用内存读写 代替 I/O读写
• 提高内存利用率：通过虚拟内存 & 共享对象

5. 应用场景

在Linux系统下，根据内存映射的本质原理 & 特点，其应用场景在于：

1. 实现内存共享：如 跨进程通信
2. 提高数据读 / 写效率 ：如 文件读 / 写操作

6. 实例讲解

下面，我将详细讲解 内存映射应用在跨进程通信 & 文件操作的实例

6.1 文件读 / 写操作

• 传统的Linux系统文件操作流程如下

示意图

• 使用了内存映射的 文件读 / 写 操作

示意图

从上面可看出：使用了内存映射的文件读/写 操作方式效率更加高、性能最好！

6.2 跨进程通信

• 传统的跨进程通信

示意图

• 使用了内存映射的 跨进程通信

示意图

从上面可看出：使用了内存映射的跨进程通信 效率最高、性能最好！

7. 总结

• 本文全面讲解了 Linux操作系统中的内存映射
• 下面我将继续讲解 编程开发的基础知识，有兴趣可以继续关注Carson_Ho的开发笔记

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