内存映射机制

什么是内存映射

Linux通过将一个虚拟内存区域与一个磁盘上的对象关联起来，以初始化这个虚拟区域的内如，这个过程称为内存映射。

代码示例：

/*******************************************************************
 *   > File Name: mmap.c
 *   > Create Time: 2021年09月28日 星期二 19时30分22秒
 ******************************************************************/
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    int fd = open("test.txt", O_RDWR); // 打开文件test.txt
    if (fd < 0)
    {
        perror("open file faild!");
        return -1;
    }
    char *start = mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if(start == MAP_FAILED){
        perror("mmap faild");
        return -1;
    }

    printf("%s\n", start); // 输出内存内容
    char t[] = "helloword!\n";
    memcpy(start, t, sizeof(t));
    munmap(start, 4096); // 解除内存映射
    close(fd); // 关闭文件

    return 0;
}

内存映射原理

分析效率

从代码层面上看，从硬盘上将文件读入内存，都要经过文件系统进行数据拷贝，并且数据拷贝操作是由文件系统和硬件驱动实现的，理论上来说，拷贝数据的效率是一样的。但是通过内存映射的方法访问硬盘上的文件，效率要比read和write系统调用高，这是为什么呢？原因是read()是系统调用，其中进行了数据拷贝，它首先将文件内容从硬盘拷贝到内核空间的一个缓冲区，如图2中过程1，然后再将这些数据拷贝到用户空间，如图2中过程2，在这个过程中，实际上完成了两次数据拷贝；而mmap()也是系统调用，如前所述，mmap()中没有进行数据拷贝，真正的数据拷贝是在缺页中断处理时进行的，由于mmap()将文件直接映射到用户空间，所以中断处理函数根据这个映射关系，直接将文件从硬盘拷贝到用户空间，只进行了一次数据拷贝。因此，内存映射的效率要比read/write效率高

内存映射的特点

不会在映射的时候分配物理页
仅仅是建立一种关联
- 虚拟地址和文件地址偏移建立关联
- 设置好缺页异常回调函数
- 返回分配的虚拟地址给用户程序
读写的时候触发缺页异常

再看fork函数

当fork函数被当前进程调用的时候，内核为新进程创建各种数据结构，并分配一个唯一ID，为了给这个新进程创建虚拟内存，它创建当前进程的mm_struct、区域结构和页表的原样副本。它将两个进程中的每个页面都标记为只读，并将两个进程中的每个区域结构都标记为私有的写时复制。当fork函数返回的时候，新进程现在的虚拟内存和调用的时候完全一样，当两个进程中的任何一个进行写的时候，写时复制机制会创建新的页面