Linux記憶體對映mmp機制詳解

2021-08-05 23:36:37 字數 1931 閱讀 8856

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。

效率

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#include#include#include#include#include#include#include#include#define max 10000

int main()

for( i=0; i

輸出結果:

time of read/write: 154ms

time of mmap: 68ms

mmp函式(共享記憶體對映)使用方法以及注意事項

void mmap void addr,size t length,int prot,int flags,int fd,off t offset 建立共享記憶體對映 length 共享記憶體對映區的大小。檔案的實際大小,通常為檔案大小 prot 共享記憶體對映區的讀寫屬性。prot read 讀 p...

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