[转载]linux内存映射mmap原理分析【转】

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内存映射,简而言之就是将用户空间的一段内存区域映射到内核空间,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。

以下是一个把普遍文件映射到用户空间的内存区域的示意图。

图一:

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。

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

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<unistd.h>
  2 
  3 #include<stdio.h>
  4 
  5 #include<stdlib.h>
  6 
  7 #include<string.h>
  8 
  9 #include<sys/types.h>
 10 
 11 #include<sys/stat.h>
 12 
 13 #include<sys/time.h>
 14 
 15 #include<fcntl.h>
 16 
 17 #include<sys/mman.h>
 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; i<MAX; ++i )
 58 
 59  
 60 
 61 ++array[ i ];
 62 
 63 if( 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; i<MAX; ++i )
 94 
 95  
 96 
 97 ++array[ i ];
 98 
 99 munmap( array, sizeof(int)*MAX );
100 
101 msync( array, sizeof(int)*MAX, MS_SYNC );
102 
103 free( array );
104 
105 close( fd );
106 
107 gettimeofday( &tv2, NULL );
108 
109 printf( "Time of mmap: %dms/n", tv2.tv_usec-tv1.tv_usec );
110 
111  
112 
113 return 0;
114 
115 }

输出结果:

Time of read/write: 154ms

Time of mmap: 68ms

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