学习mmap

最近在工作中遇到一个mmap使用相关的问题，造成了一定的困惑，于是花了些时间补了下 mmap的功课，在这里分享给大家，错误和不足之处大家多指教。

相关背景知识

• 说到mmap的使用，我们首先要了解一下进程的虚拟进程地址空间的概念。Linux上为了作进程隔离，每个进程都运行在自己的单独的虚拟进程空间，同时物理机上内存有限，每个进程使用虚拟内存地址来隔离又共享物理内存。我们平时在代码里获取的地址就是虚拟地址;
• 放一张进程虚拟地址空间草图，网上也可以很容易找到更精美的 :)

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• 我们在程序中申请内存的操作，实际上只是在进程地址空间相应部分申请了一段虚拟地址，当实际对这段虚拟地址进行读写操作时，才会分配真正的物理内存;
• 通常x86 Linux采用段页式的内存管理模式，这块不具体展开，简单来说就是CPU访问的逻辑地址，然后经过分段机制转换成线性地址（你可以简单理解成等价于上面说的虚拟地址），再经过分页机制转换成物理地址，第一次访问的时候由于实现物理地址还没有分配，会产生缺页中断来分配物理地址，用它来填充对应的页表项;
• 通过read系统调用来读取磁盘上的文件时，文件内容会先被读到内存的page cache部分，然后再从page cache中拷贝到应用层的读缓存buffer中;对于打开的文件，内核都会在内存中维护一个inode结构体（对于同一个文件，即使被open多次，内核也仅维护这一个inode），其有一个成员是struct address_space *i_mapping, 它用来维护这个文件被读取的所有部分在内存中的缓存，其使用xarray(全新封装了基数树的操作)来存储这个物理页(struct page), 如下图:

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mmap简介

• 先看原型： void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset)
• 功能：
  1. 分配一块新的连续的进程虚拟地址段（对应内核中的结构体就是 vm_area_struct）并返回其起始地址，如果给定了第一个参数，就优先从这个地址开始分配进程虚拟地址;
  2. 如果提供了fd文件句枘，则映射文件内容到进程虚拟地址;
  3. mmap的参数较多，其中prot和flags的可选项也比较多，具体大家可以使用 man命令查看;

mmap的几种典型应用

• 不同进程(可以是非父子进程)间共享映射
  1. 这种情况需要借助磁盘文件，实际上是共享这个磁盘文件，将这个磁盘文件映射到各自的进程虚拟地址空间，但是其虚拟地址空间分页转换后其页表项对应的物理内存是相同的;
  2. 典型用法是需提供一个打开的文件句柄，使用 MAP_SHARED flag

  int fd = open ("[filepath]", O_RDWR)) void *addr = mmap (NULL, [mmaping length], PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0)

• 非子进程间通讯
  1. 父进程使用 fork创建子进程，父子进程间可以使用mmap来通读;
  2. 典型用法是无需提供打开的文件句柄, 使用 MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS flag,

  void *addr = mmap (NULL, BUF_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

• 进程通过 mmap 来读写文件
  1. 从上面 相关背景知识 一节可知使用 read系统调用读文件时，数据需经过 磁盘拷贝到page cache, page cache再拷贝到应用层缓存bufffer, 这两个数据拷贝;
  2. 使用 mmap 时，磁盘数据也是先读到page cache中，然后会将mmap返回的虚拟地址最终对应的页项表内容设定为和前面的page chache相同的物理页， 这样一来就免去了第二次的数据拷贝;
  3. 用个示意图来说明一下：

  

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• 用作glibc中malloc申请内存
  1. 通常我们都说是通过调用 malloc来申请堆上内存，但实际上其内部实现使用了 brk和 mmap两种系统调用，当申请的内存大于128K时，使用 mmap
  2. 典型用法是无需提供打开的文件句柄, 使用 MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS flag

  void *addr = mmap (NULL, buffer_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

• mmap的写时拷贝
  1. 如果我们在调用mmap时提供一个打开的文件句两，但使用 MAP_PRIVATE的flags, 那这时对其的写操作并不能真正修改对应的磁盘文件，它会作写时拷贝，退化成匿名映射

mmap作磁盘文件映射时的特别说明

• mmap映射的虚拟地址长度(即mmap的第二个参数)需要对齐到物理页大小，在32位系统上通常是4K, 这一特点会导致一些有趣的事情发生,我们来看一下：假如一个文件的大小是5000Byte, 刚好比4K大一些，我们用mmap来从文件开始的位置来映射它，mmap的第二个参数给5000, 因为需要页面对齐，实现映射的虚拟地址长度将是两个4k,即8192, 8192 - 5000 = 3192的部分用0填充，也是可以被访问到;
• 如果用mmap映射某个文件时，这个文件大小为0, 不会分配任何的物理内存，也不能作任何的读写访问；当向文件中写入数据后，通过mmap返回的虚拟地址可以访问这部分文件内容;

mmap与内存换入换出

• 由前面的介绍我们知道mmap不管是映射磁盘文件，还是作匿名映射，最终都会分配物理内存页，因此这个物理内存页在内存紧张时就有备换出的可能，当然mmap提供了MAP_LOCKED，可以锁定内存不被换出，我们不考虑这种情况;
• 如果使用mmap映射的是磁盘文件，其存在物理页的内容会被清空，pte将记录这种情况，再次需要访问时，会重新读取磁盘文件，缓存在page cache中;
• 如果使用mmap作匿名映射，没有相关联的磁盘文件（或者使用MAP_PRIVATE方式映射磁盘文件），发生内存换出时，将被交换到swap中，swap实际上也对应着磁盘块，最终也是写在磁盘上;

关于mmap我们这次就先介绍到这里～