深入浅出mmap内存映射

一、mmap内存映射主要用在哪里

mmap内存映射是一种将文件或其他对象映射到进程地址空间的机制，主要用于以下场景：

1. 文件映射：在许多操作系统中，可以通过mmap将一个文件的整个内容映射到进程的地址空间中。这种技术被广泛应用于一些高效的文件操作，如数据库系统，谷歌的大量的Web服务器和开发一些离线处理的大数据应用。

2. 共享内存：mmap还可以将一块共享内存映射到多个进程的地址空间中，这些进程可以直接通过访问共享内存来交换数据，可以在这些进程间实现高效的通信。

3. 匿名映射：通过mmap可以在进程的地址空间中分配一块虚拟内存，来实现不同进程之间的数据共享，这种匿名映射的内存映射技术被广泛应用于Unix/Linux系统中的共享库，而且在现代操作系统中也是非常有用的。

二、mmap内存映射函数的参数

mmap函数在使用时需要传递四个必要的参数，它们依次是：

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

1. addr：可选的指定映射的开始地址，通常将它设置为0，让系统自动选择一个未使用的地址作为映射的地址，这是一个好的习惯。

2. length：映射的大小，单位是字节。

3. prot：映射区域的保护方式，可以是下面几个选项中的一个或多个组合：

PROT_EXEC：表示可执行的代码
PROT_READ：表示可读
PROT_WRITE：表示可写
PROT_NONE：表示不可访问

4. flags：控制映射区域的各种属性，可以通过以下的选项进行组合：

MAP_PRIVATE：建立一个写入时拷贝(COW)的私有映射，不会改变原对象。
MAP_SHARED：对映射区域的写入数据会复制回文件

5. fd：需要映射的文件描述符。

6. offset：文件映射的偏移量，通常将它设置为0，表示从文件头开始。

三、mmap内存映射原理

mmap内存映射是基于虚拟内存进行的，它允许应用程序像访问内存一样访问磁盘上的文件，实际上是将文件的一段内容直接映射到进程地址空间的一段区域中，这导致了一系列的优点：

有时不需要将整个文件都读入内存即可开始工作
当需要更新文件时，不需要显式地拷贝到磁盘上
不会造成page cache的污染，同时内存限制也大大增加

它的底层实现利用了虚拟内存的一个非常重要的好处，即虚拟内存能够将物理内存和交换空间（磁盘）组合在一起使用。CPU需要访问进程的某个虚拟地址时，会计算出这个地址在物理内存或者磁盘上的位置，如果在物理内存上，那么直接访问；否则就会将物理内存中不常用的页替换到磁盘上，然后再从磁盘上读入需要的页。

四、mmap内存映射内核

mmap内存映射是由操作系统内核虚拟内存系统的具体实现来支持的。具体来说，内核在mmap函数调用时，会向虚拟内存子系统发送一个请求，让它将一个虚拟内存区域映射到用户进程的地址空间中。当进程访问这个虚拟内存区域时，虚拟内存子系统会将对应的数据从文件中读入，或者将数据写回磁盘上。

这个虚拟内存区域是由用户进程管理的，称为内存映射区域。在虚拟内存系统中，被映射文件的每一个页都有多个副本，既可以在文件中存在，也可以在内存中存在。因此，当进程对一个虚拟内存区域中的某个页进行访问时，虚拟内存系统会将这个页映射到多个虚拟内存区域中，并将这些虚拟内存区域转换为物理页框，使得这些虚拟内存区域实际上都指向了同一个物理页。

五、mmap内存映射大小限制

在64位系统中，由于地址空间的大小可以达到2^64个字节，因此可以创建非常大的内存映射区域。但是在32位系统中，由于地址空间的大小只有2^32个字节，因此内存映射的大小受到了一定的限制，在一些系统中可以定义一些参数来调整限制的大小。

六、mmap内存映射文件为空

当被映射的文件为空时，根据函数的flags参数的不同，mmap内存映射的行为也有所不同。

1. 如果标志选项包含MAP_PRIVATE，则映射区域中的内容将被初始化为0。

2. 如果标志选项包含MAP_SHARED，则映射区域的是未定义的，并且对该区域的访问会产生总线错误（bus error）。

七、mmap内存映射bus error

当mmap映射区域为空时，在对映射区域进行写入等操作时，会产生总线错误（bus error）。这是因为在尝试使用空的映射区域时，访问的内存地址无效。这时可以使用mmap函数的MAP_ANONYMOUS参数来初始化该映射区，例如：

char *ptr = mmap(NULL, sizeof(char)*512, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_ANONYMOUS | MAP_SHARED, -1, 0);

这样就可以正确初始化一个空的映射区域了。

原创文章，作者：小蓝，如若转载，请注明出处：https://www.506064.com/n/287209.html