mmap原理詳解

1. 一句話概括mmap

mmap的作用，在應(yīng)用這一層，是讓你把文件的某一段，當(dāng)作內(nèi)存一樣來(lái)訪問(wèn)。將文件映射到物理內(nèi)存，將進(jìn)程虛擬空間映射到那塊內(nèi)存。

這樣，進(jìn)程不僅能像訪問(wèn)內(nèi)存一樣讀寫文件，多個(gè)進(jìn)程映射同一文件，還能保證虛擬空間映射到同一塊物理內(nèi)存，達(dá)到內(nèi)存共享的作用。

2. 虛擬內(nèi)存？虛擬空間？

其實(shí)是一個(gè)概念，前一篇對(duì)于這個(gè)詞沒(méi)有確切的定義，現(xiàn)在定義一下：

虛擬空間就是進(jìn)程看到的所有地址組成的空間，虛擬空間是某個(gè)進(jìn)程對(duì)分配給它的所有物理地址（已經(jīng)分配的和將會(huì)分配的）的重新映射。

而虛擬內(nèi)存，為啥叫虛擬內(nèi)存，是因?yàn)樗筒皇钦嬲膬?nèi)存，是假的，因?yàn)樗怯傻刂方M成的空間，所以在這里，使用虛擬空間這個(gè)詞更加確切和易懂。（不過(guò)虛擬內(nèi)存這個(gè)詞也不算錯(cuò)）

2.1 虛擬空間原理

2.1.1物理內(nèi)存

首先，物理地址實(shí)際上也不是連續(xù)的，通常是包含作為主存的DRAM和IO寄存器

以前的CPU（如X86）是為IO劃分單獨(dú)的地址空間，所以不能用直接訪問(wèn)內(nèi)存的方式（如指針）IO，只能用專門的方法（in/read/out/write）諸如此類。

現(xiàn)在的CPU利用PCI總線將IO寄存器映射到物理內(nèi)存，所以出現(xiàn)了基于內(nèi)存訪問(wèn)的IO。

還有一點(diǎn)補(bǔ)充的，就如同進(jìn)程空間有一塊內(nèi)核空間一樣，物理內(nèi)存也會(huì)有極小一部分是不能訪問(wèn)的，為內(nèi)核所用。

2.1.2三個(gè)總線

這里再補(bǔ)充下三個(gè)總線的知識(shí)，即：地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線

• 地址總線，用來(lái)傳輸?shù)刂?/li>
• 數(shù)據(jù)總線，用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)
• 控制總線，用來(lái)傳輸命令

比如CPU通過(guò)控制總線發(fā)送讀取命令，同時(shí)用地址總線發(fā)送要讀取的數(shù)據(jù)虛地址，經(jīng)過(guò)MMU后到內(nèi)存

內(nèi)存通過(guò)數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)傳輸給CPU。

虛擬地址的空間和指令集的地址長(zhǎng)度有關(guān)，不一定和物理地址長(zhǎng)度一致，比如現(xiàn)在的64位處理器，從VA角度看來(lái)，可以訪問(wèn)64位的地址，但地址總線長(zhǎng)度只有48位，所以你可以訪問(wèn)一個(gè)位于2^52這個(gè)位置的地址。

2.1.3虛擬內(nèi)存地址轉(zhuǎn)換（虛地址轉(zhuǎn)實(shí)地址）

上面已經(jīng)明確了虛擬內(nèi)存是虛擬空間，即地址的集合這一概念?；诖耍瑏?lái)說(shuō)說(shuō)原理。

如果還記得操作系統(tǒng)課程里面提到的虛地址，那么這個(gè)虛地址就是虛擬空間的地址了，虛地址通過(guò)轉(zhuǎn)換得到實(shí)地址，轉(zhuǎn)換方式課程內(nèi)也講得很清楚，虛地址頭部包含了頁(yè)號(hào)（段地址和段大小，看存儲(chǔ)模式：頁(yè)存儲(chǔ)、段存儲(chǔ)，段頁(yè)式），剩下部分是偏移量，經(jīng)過(guò)MMU轉(zhuǎn)換成實(shí)地址。

存儲(chǔ)方式

如圖則是頁(yè)式存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)地址變換的方式

虛擬地址頭部為頁(yè)號(hào)通過(guò)查詢頁(yè)表得到物理頁(yè)號(hào)，假設(shè)一頁(yè)時(shí)1K，那么頁(yè)號(hào)*偏移量就得到物理地址

如圖所示，段式存儲(chǔ)

虛擬地址頭部為段號(hào)，段表中找到段基地址加上偏移量得到實(shí)地址

段頁(yè)式結(jié)合兩者，如圖所示。

3. mmap映射

至此，如果對(duì)虛擬空間已經(jīng)了解了，那么接下來(lái)，作為coder，應(yīng)該自動(dòng)把虛擬空間無(wú)視掉，因?yàn)?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/538/" target="_blank">Linux的目的也是要讓更多額進(jìn)程能享用內(nèi)存，又不讓進(jìn)程做麻煩的事情，是將虛擬空間和MMU都透明化，讓進(jìn)程（和coder）只需要管對(duì)內(nèi)存怎樣使用。

所以現(xiàn)在開(kāi)始不再?gòu)?qiáng)調(diào)虛擬空間了。

mmap就是將文件映射到內(nèi)存上，進(jìn)程直接對(duì)內(nèi)存進(jìn)行讀寫，然后就會(huì)反映到磁盤上。

• 虛擬空間獲取到一段連續(xù)的地址
• 在沒(méi)有讀寫的時(shí)候，這個(gè)地址指向不存在的地方（所以，上圖中起始地址和終止地址是還沒(méi)分配給 進(jìn)程的）
• 好了，根據(jù)偏移量，進(jìn)程要讀文件數(shù)據(jù)了，數(shù)據(jù)占在兩個(gè)頁(yè)當(dāng)中（物理內(nèi)存著色部分）
• 這時(shí)，進(jìn)程開(kāi)始使用內(nèi)存了，所以O(shè)S給這兩個(gè)頁(yè)分配了內(nèi)存（即缺頁(yè)異常）（其余部分還是沒(méi)有分配）
• 然后剛分配的頁(yè)內(nèi)是空的，所以再將相同偏移量的文件數(shù)據(jù)拷貝到物理內(nèi)存對(duì)應(yīng)頁(yè)上。