深入淺出mmap內存映射

一、mmap內存映射主要用在哪裡

mmap內存映射是一種將文件或其他對象映射到進程地址空間的機制，主要用於以下場景：

1. 文件映射：在許多操作系統中，可以通過mmap將一個文件的整個內容映射到進程的地址空間中。這種技術被廣泛應用於一些高效的文件操作，如數據庫系統，谷歌的大量的Web服務器和開發一些離線處理的大數據應用。

2. 共享內存：mmap還可以將一塊共享內存映射到多個進程的地址空間中，這些進程可以直接通過訪問共享內存來交換數據，可以在這些進程間實現高效的通信。

3. 匿名映射：通過mmap可以在進程的地址空間中分配一塊虛擬內存，來實現不同進程之間的數據共享，這種匿名映射的內存映射技術被廣泛應用於Unix/Linux系統中的共享庫，而且在現代操作系統中也是非常有用的。

二、mmap內存映射函數的參數

mmap函數在使用時需要傳遞四個必要的參數，它們依次是：

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

1. addr：可選的指定映射的開始地址，通常將它設置為0，讓系統自動選擇一個未使用的地址作為映射的地址，這是一個好的習慣。

2. length：映射的大小，單位是字節。

3. prot：映射區域的保護方式，可以是下面幾個選項中的一個或多個組合：

• PROT_EXEC：表示可執行的代碼
• PROT_READ：表示可讀
• PROT_WRITE：表示可寫
• PROT_NONE：表示不可訪問

4. flags：控制映射區域的各種屬性，可以通過以下的選項進行組合：

• MAP_PRIVATE：建立一個寫入時拷貝(COW)的私有映射，不會改變原對象。
• MAP_SHARED：對映射區域的寫入數據會複製迴文件

5. fd：需要映射的文件描述符。

6. offset：文件映射的偏移量，通常將它設置為0，表示從文件頭開始。

三、mmap內存映射原理

mmap內存映射是基於虛擬內存進行的，它允許應用程序像訪問內存一樣訪問磁盤上的文件，實際上是將文件的一段內容直接映射到進程地址空間的一段區域中，這導致了一系列的優點：

• 有時不需要將整個文件都讀入內存即可開始工作
• 當需要更新文件時，不需要顯式地拷貝到磁盤上
• 不會造成page cache的污染，同時內存限制也大大增加

它的底層實現利用了虛擬內存的一個非常重要的好處，即虛擬內存能夠將物理內存和交換空間（磁盤）組合在一起使用。CPU需要訪問進程的某個虛擬地址時，會計算出這個地址在物理內存或者磁盤上的位置，如果在物理內存上，那麼直接訪問；否則就會將物理內存中不常用的頁替換到磁盤上，然後再從磁盤上讀入需要的頁。

四、mmap內存映射內核

mmap內存映射是由操作系統內核虛擬內存系統的具體實現來支持的。具體來說，內核在mmap函數調用時，會向虛擬內存子系統發送一個請求，讓它將一個虛擬內存區域映射到用戶進程的地址空間中。當進程訪問這個虛擬內存區域時，虛擬內存子系統會將對應的數據從文件中讀入，或者將數據寫回磁盤上。

這個虛擬內存區域是由用戶進程管理的，稱為內存映射區域。在虛擬內存系統中，被映射文件的每一個頁都有多個副本，既可以在文件中存在，也可以在內存中存在。因此，當進程對一個虛擬內存區域中的某個頁進行訪問時，虛擬內存系統會將這個頁映射到多個虛擬內存區域中，並將這些虛擬內存區域轉換為物理頁框，使得這些虛擬內存區域實際上都指向了同一個物理頁。

五、mmap內存映射大小限制

在64位系統中，由於地址空間的大小可以達到2^64個字節，因此可以創建非常大的內存映射區域。但是在32位系統中，由於地址空間的大小只有2^32個字節，因此內存映射的大小受到了一定的限制，在一些系統中可以定義一些參數來調整限制的大小。

六、mmap內存映射 文件為空

當被映射的文件為空時，根據函數的flags參數的不同，mmap內存映射的行為也有所不同。

1. 如果標誌選項包含MAP_PRIVATE，則映射區域中的內容將被初始化為0。

2. 如果標誌選項包含MAP_SHARED，則映射區域的是未定義的，並且對該區域的訪問會產生總線錯誤（bus error）。

七、mmap內存映射bus error

當mmap映射區域為空時，在對映射區域進行寫入等操作時，會產生總線錯誤（bus error）。這是因為在嘗試使用空的映射區域時，訪問的內存地址無效。這時可以使用mmap函數的MAP_ANONYMOUS參數來初始化該映射區，例如：

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

這樣就可以正確初始化一個空的映射區域了。