Linux mmap 的作用是什么？

news2024/9/20 20:37:19

文章目录

1.简介
2.相关函数
3.mmap和常规文件操作的区别
4.作用
参考文献

1.简介

mmap（memory map）即内存映射，用于将一个文件或其它对象映射到进程的地址空间。
在这里插入图片描述

2.相关函数

创建映射函数：

#include <sys/mman.h>

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

成功执行时，mmap()返回被映射区的指针。失败时，mmap()返回MAP_FAILED[其值为(void *)-1]， errno 被设为以下的某个值：

EACCES：访问出错
EAGAIN：文件已被锁定，或者太多的内存已被锁定
EBADF：fd不是有效的文件描述词
EINVAL：一个或者多个参数无效
ENFILE：已达到系统对打开文件的限制
ENODEV：指定文件所在的文件系统不支持内存映射
ENOMEM：内存不足，或者进程已超出最大内存映射数量
EPERM：权能不足，操作不允许
ETXTBSY：已写的方式打开文件，同时指定MAP_DENYWRITE标志
SIGSEGV：试着向只读区写入
SIGBUS：试着访问不属于进程的内存区

入参 addr 表示要映射到的内存区域的起始地址，通常用 NULL，表示由内核指定该内存地址。

length 表示映射区的长度，单位字节。

prot 参数描述了映射所需的内存保护（并且不得与文件的打开模式冲突）。它是 PROT_NONE 或以下多个标志的按位或组合：

PROT_EXEC 页面可以被执行
PROT_READ 页面可以被读取
PROT_WRITE 页面可以被写入
PROT_NONE 页面不能被访问

flags：指定映射对象的类型，映射选项和映射页是否可以共享。它的值可以是一个或者多个以下位的组合体：

MAP_FIXED //使用指定的映射起始地址，如果由start和len参数指定的内存区重叠于现存的映射空间，重叠部分将会被丢弃。如果指定的起始地址不可用，操作将会失败。并且起始地址必须落在页的边界上。
MAP_SHARED //与其它所有映射这个对象的进程共享映射空间。对共享区的写入，相当于输出到文件。直到msync()或者munmap()被调用，文件实际上不会被更新。
MAP_PRIVATE //建立一个写入时拷贝的私有映射。内存区域的写入不会影响到原文件。这个标志和以上标志是互斥的，只能使用其中一个。
MAP_DENYWRITE //这个标志被忽略。
MAP_EXECUTABLE //同上
MAP_NORESERVE //不要为这个映射保留交换空间。当交换空间被保留，对映射区修改的可能会得到保证。当交换空间不被保留，同时内存不足，对映射区的修改会引起段违例信号。
MAP_LOCKED //锁定映射区的页面，从而防止页面被交换出内存。
MAP_GROWSDOWN //用于堆栈，告诉内核VM系统，映射区可以向下扩展。
MAP_ANONYMOUS //匿名映射，映射区不与任何文件关联。
MAP_ANON //MAP_ANONYMOUS 的别称，不再被使用。
MAP_FILE //兼容标志，被忽略。
MAP_32BIT //将映射区放在进程地址空间的低2GB，MAP_FIXED指定时会被忽略。当前这个标志只在x86-64平台上得到支持。
MAP_POPULATE //为文件映射通过预读的方式准备好页表。随后对映射区的访问不会被页违例阻塞。
MAP_NONBLOCK //仅和MAP_POPULATE一起使用时才有意义。不执行预读，只为已存在于内存中的页面建立页表入口。

fd：有效的文件描述词。如果MAP_ANONYMOUS被设定，为了兼容问题，其值应为 -1。

offset：被映射对象内容的偏移。

解除映射函数：

#include <sys/mman.h>

int munmap(void *addr, size_t length);

成功执行时，munmap()返回0。失败时，munmap返回-1，errno 返回标志和 mmap 一致。

该调用在进程地址空间中解除一个映射关系，addr是调用mmap()时返回的地址，len是映射区的大小。

当映射关系解除后，对原来映射地址的访问将导致段错误发生。

同步函数：

int msync(void *addr, size_t len, int flags)

一般说来，进程在映射空间的对共享内容的改变并不直接写回到磁盘文件中，往往在调用 munmap() 后才执行该操作。

可以通过调用msync()实现磁盘上文件内容与共享内存区的内容一致。

3.mmap和常规文件操作的区别

我们首先简单回顾一下常规文件系统操作（调用read/fread等类函数）中，函数的调用过程：

1.进程发起读文件请求。

2.内核通过查找进程文件符表，定位到内核已打开文件集上的文件信息，从而找到此文件的 inode。

3.inode在address_space上查找要请求的文件页是否已经缓存在页缓存中。如果存在，则直接返回这片文件页的内容。

4.如果不存在，则通过inode定位到文件磁盘地址，将数据从磁盘复制到页缓存。之后再次发起读页面过程，进而将页缓存中的数据发给用户进程。

总结来说，常规文件操作为了提高读写效率和保护磁盘，使用了页缓存机制。这样造成读文件时需要先将文件页从磁盘拷贝到页缓存中，由于页缓存处在内核空间，不能被用户进程直接寻址，所以还需要将页缓存中数据页再次拷贝到用户空间内存。这样，通过了两次数据拷贝，才能完成进程对文件内容的获取任务。写操作也是一样，待写入的buffer在内核空间不能直接访问，必须要先拷贝至内核空间内存，再写回磁盘中（延迟写回），也是需要两次数据拷贝。

而使用 mmap 操作文件，创建新的虚拟内存区域和建立文件磁盘地址和虚拟内存区域映射这两步，没有任何文件拷贝操作。而之后访问数据时发现内存中并无数据而发起的缺页异常过程，可以通过已经建立好的映射关系，只使用一次数据拷贝，就从磁盘中将数据传入内存的用户空间中，供进程使用。

总而言之，常规文件操作需要从磁盘到页缓存再到用户主存的两次数据拷贝。而 mmap 操作文件，只需要从磁盘到用户主存的一次数据拷贝，效率更高。