mmap详解

一、mmap基本原理和分类

在LINUX中我们可以使用mmap用来在进程虚拟内存地址空间中分配地址空间,创建和物理内存的映射关系。
mmap详解_第1张图片

映射关系可以分为两种
1、文件映射
磁盘文件映射进程的虚拟地址空间,使用文件内容初始化物理内存。
2、匿名映射
初始化全为0的内存空间。

而对于映射关系是否共享又分为
1、私有映射(MAP_PRIVATE)
多进程间数据共享,修改不反应到磁盘实际文件,是一个copy-on-write(写时复制)的映射方式。
2、共享映射(MAP_SHARED)
多进程间数据共享,修改反应到磁盘实际文件中。

因此总结起来有4种组合
1、私有文件映射
多个进程使用同样的物理内存页进行初始化,但是各个进程对内存文件的修改不会共享,也不会反应到物理文件中

2、私有匿名映射
mmap会创建一个新的映射,各个进程不共享,这种使用主要用于分配内存(malloc分配大内存会调用mmap)。
例如开辟新进程时,会为每个进程分配虚拟的地址空间,这些虚拟地址映射的物理内存空间各个进程间读的时候共享,写的时候会copy-on-write。

3、共享文件映射
多个进程通过虚拟内存技术共享同样的物理内存空间,对内存文件 的修改会反应到实际物理文件中,他也是进程间通信(IPC)的一种机制。

4、共享匿名映射
这种机制在进行fork的时候不会采用写时复制,父子进程完全共享同样的物理内存页,这也就实现了父子进程通信(IPC).

这里值得注意的是,mmap只是在虚拟内存分配了地址空间,只有在第一次访问虚拟内存的时候才分配物理内存。
在mmap之后,并没有在将文件内容加载到物理页上,只上在虚拟内存中分配了地址空间。当进程在访问这段地址时,通过查找页表,发现虚拟内存对应的页没有在物理内存中缓存,则产生"缺页",由内核的缺页异常处理程序处理,将文件对应内容,以页为单位(4096)加载到物理内存,注意是只加载缺页,但也会受操作系统一些调度策略影响,加载的比所需的多。

二.mmap在write和read时会发生什么

1.write

1.进程(用户态)将需要写入的数据直接copy到对应的mmap地址(内存copy)
2.若mmap地址未对应物理内存,则产生缺页异常,由内核处理
3.若已对应,则直接copy到对应的物理内存
4.由操作系统调用,将脏页回写到磁盘(通常是异步的)

因为物理内存是有限的,mmap在写入数据超过物理内存时,操作系统会进行页置换,根据淘汰算法,将需要淘汰的页置换成所需的新页,所以mmap对应的内存是可以被淘汰的(若内存页是"脏"的,则操作系统会先将数据回写磁盘再淘汰)。这样,就算mmap的数据远大于物理内存,操作系统也能很好地处理,不会产生功能上的问题。

2.read
读的过程对比
mmap详解_第2张图片

从图中可以看出,mmap要比普通的read系统调用少了一次copy的过程。因为read调用,进程是无法直接访问kernel space的,所以在read系统调用返回前,内核需要将数据从内核复制到进程指定的buffer。但mmap之后,进程可以直接访问mmap的数据(page cache)。

三.mmap 具体原理

mmap内存映射的实现过程,总的来说可以分为三个阶段:
(一)进程启动映射过程,并在虚拟地址空间中为映射创建虚拟映射区域

进程在用户空间调用库函数mmap,原型:void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

在当前进程的虚拟地址空间中,寻找一段空闲的满足要求的连续的虚拟地址

为此虚拟区分配一个vm_area_struct结构,接着对这个结构的各个域进行了初始化

将新建的虚拟区结构(vm_area_struct)插入进程的虚拟地址区域链表或树中

(二)调用内核空间的系统调用函数mmap(不同于用户空间函数),实现文件物理地址和进程虚拟地址的一一映射关系

为映射分配了新的虚拟地址区域后,通过待映射的文件指针,在文件描述符表中找到对应的文件描述符,通过文件描述符,链接到内核“已打开文件集”中该文件的文件结构体(struct file),每个文件结构体维护着和这个已打开文件相关各项信息。

通过该文件的文件结构体,链接到file_operations模块,调用内核函数mmap,其原型为:int mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma),不同于用户空间库函数。

内核mmap函数通过虚拟文件系统inode模块定位到文件磁盘物理地址。

通过remap_pfn_range函数建立页表,即实现了文件地址和虚拟地址区域的映射关系。此时,这片虚拟地址并没有任何数据关联到主存中。

(三)进程发起对这片映射空间的访问,引发缺页异常,实现文件内容到物理内存(主存)的拷贝

注:前两个阶段仅在于创建虚拟区间并完成地址映射,但是并没有将任何文件数据的拷贝至主存。真正的文件读取是当进程发起读或写操作时。

进程的读或写操作访问虚拟地址空间这一段映射地址,通过查询页表,发现这一段地址并不在物理页面上。因为目前只建立了地址映射,真正的硬盘数据还没有拷贝到内存中,因此引发缺页异常。

缺页异常进行一系列判断,确定无非法操作后,内核发起请求调页过程。

调页过程先在交换缓存空间(swap cache)中寻找需要访问的内存页,如果没有则调用nopage函数把所缺的页从磁盘装入到主存中。

之后进程即可对这片主存进行读或者写的操作,如果写操作改变了其内容,一定时间后系统会自动回写脏页面到对应磁盘地址,也即完成了写入到文件的过程(是不是有点像写时复制技术呢,哦,这篇博客拖了好久了)。

注:修改过的脏页面并不会立即更新回文件中,而是有一段时间的延迟,可以调用msync()来强制同步, 这样所写的内容就能立即保存到文件里了。

四.总结

优点如下:

1、对文件的读取操作跨过了页缓存,减少了数据的拷贝次数,用内存读写取代I/O读写,提高了文件读取效率。

2、实现了用户空间和内核空间的高效交互方式。两空间的各自修改操作可以直接反映在映射的区域内,从而被对方空间及时捕捉。

3、提供进程间共享内存及相互通信的方式。不管是父子进程还是无亲缘关系的进程,都可以将自身用户空间映射到同一个文件或匿名映射到同一片区域。从而通过各自对映射区域的改动,达到进程间通信和进程间共享的目的。同时,如果进程A和进程B都映射了区域C,当A第一次读取C时通过缺页从磁盘复制文件页到内存中;但当B再读C的相同页面时,虽然也会产生缺页异常,但是不再需要从磁盘中复制文件过来,而可直接使用已经保存在内存中的文件数据。

4、可用于实现高效的大规模数据传输。内存空间不足,是制约大数据操作的一个方面,解决方案往往是借助硬盘空间协助操作,补充内存的不足。但是进一步会造成大量的文件I/O操作,极大影响效率。这个问题可以通过mmap映射很好的解决。换句话说,但凡是需要用磁盘空间代替内存的时候,mmap都可以发挥其功效。

缺点如下:

1.文件如果很小,是小于4096字节的,比如10字节,由于内存的最小粒度是页,而进程虚拟地址空间和内存的映射也是以页为单位。虽然被映射的文件只有10字节,但是对应到进程虚拟地址区域的大小需要满足整页大小,因此mmap函数执行后,实际映射到虚拟内存区域的是4096个字节,11~4096的字节部分用零填充。因此如果连续mmap小文件,会浪费内存空间。

2.对变长文件不适合,文件无法完成拓展,因为mmap到内存的时候,你所能够操作的范围就确定了。

3.如果更新文件的操作很多,会触发大量的脏页回写及由此引发的随机IO上。所以在随机写很多的情况下,mmap方式在效率上不一定会比带缓冲区的一般写快。

参考:
https://www.jianshu.com/p/755338d11865

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