記憶體對映檔案原理探索

一直都對記憶體對映檔案這個概念很模糊，不知道它和虛擬記憶體有什麼區別，而且對映這個詞也很讓人迷茫，今天終於搞清楚了。。。下面，我先解釋一下我對對映這個詞的理解，再區分一下幾個容易混淆的概念，之後，什麼是記憶體對映就很明朗了。

首先，「對映」這個詞，就和數學課上說的「一一對映」是乙個意思，就是建立一種一一對應關係，在這裡主要是只

硬碟上檔案

的位置與程序

邏輯位址空間

中一塊大小相同的區域之間的一一對應，如圖1中過程1所示。這種對應關係純屬是邏輯上的概念，物理上是不存在的，原因是程序的邏輯位址空間本身就是不存在的。在記憶體對映的過程中，並沒有實際的資料拷貝，檔案沒有被載入記憶體，只是邏輯上被放入了記憶體，具體到**，就是建立並初始化了相關的資料結構（struct address_space），這個過程有系統呼叫mmap()實現，所以建立記憶體對映的效率很高。

圖1.記憶體對映原理

既然建立記憶體對映沒有進行實際的資料拷貝，那麼程序又怎麼能最終直接通過記憶體操作訪問到硬碟上的檔案呢？那就要看記憶體對映之後的幾個相關的過程了。

mmap()會返回乙個指標ptr，它指向程序邏輯位址空間中的乙個位址，這樣以後，程序無需再呼叫read或write對檔案進行讀寫，而只需要通過ptr就能夠操作檔案。但是ptr所指向的是乙個邏輯位址，要操作其中的資料，必須通過mmu將邏輯位址轉換成實體地址，如圖1中過程2所示。這個過程與記憶體對映無關。

前面講過，建立記憶體對映並沒有實際拷貝資料，這時，mmu在位址對映表中是無法找到與ptr相對應的實體地址的，也就是mmu失敗，將產生乙個缺頁中斷，缺頁中斷的中斷響應函式會在swap中尋找相對應的頁面，如果找不到（也就是該檔案從來沒有被讀入記憶體的情況），則會通過mmap()建立的對映關係，從硬碟上將檔案讀取到物理記憶體中，如圖1中過程3所示。這個過程與記憶體對映無關。

如果在拷貝資料時，發現物理記憶體不夠用，則會通過虛擬記憶體機制（swap）將暫時不用的物理頁面交換到硬碟上，如圖1中過程4所示。這個過程也與記憶體對映無關。

從**層面上看，從硬碟上將檔案讀入記憶體，都要經過檔案系統進行資料拷貝，並且資料拷貝操作是由檔案系統和硬體驅動實現的，理論上來說，拷貝資料的效率是一樣的。但是通過記憶體對映的方法訪問硬碟上的檔案，效率要比read和write系統呼叫高，這是為什麼呢？原因是read()是系統呼叫，其中進行了資料拷貝，它首先將檔案內容從硬碟拷貝到核心空間的乙個緩衝區，如圖2中過程1，然後再將這些資料拷貝到使用者空間，如圖2中過程2，在這個過程中，實際上完成了

兩次資料拷貝

；而mmap()也是系統呼叫，如前所述，mmap()中沒有進行資料拷貝，真正的資料拷貝是在缺頁中斷處理時進行的，由於mmap()將檔案直接對映到使用者空間，所以中斷處理函式根據這個對映關係，直接將檔案從硬碟拷貝到使用者空間，只進行了

一次資料拷貝

。因此，記憶體對映的效率要比read/write效率高。

圖2.read系統呼叫原理

下面這個程式，通過read和mmap兩種方法分別對硬碟上乙個名為「mmap_test」的檔案進行操作，檔案中存有10000個整數，程式兩次使用不同的方法將它們讀出，加1，再寫回硬碟。通過對比可以看出，read消耗的時間將近是mmap的兩到三倍。

#include

#define max 10000

int main()

for( i=0; i

++array[ i ];

if( sizeof(int)*max != write( fd, (void *)array, sizeof(int)*max ) )

free( array );

close( fd );

gettimeofday( &tv2, null );

printf( "time of read/write: %dms/n", tv2.tv_usec-tv1.tv_usec );

/*mmap*/

gettimeofday( &tv1, null );

fd = open( "mmap_test", o_rdwr );

array = mmap( null, sizeof(int)*max, prot_read|prot_write, map_shared, fd, 0 );

for( i=0; i

++array[ i ];

munmap( array, sizeof(int)*max );

msync( array, sizeof(int)*max, ms_sync );

free( array );

close( fd );

gettimeofday( &tv2, null );

printf( "time of mmap: %dms/n", tv2.tv_usec-tv1.tv_usec );

return 0;

}

輸出結果：

time of read/write: 154ms

time of mmap: 68ms

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