怎樣解析Mmap原理和使用方式

這篇文章將為大家詳細(xì)講解有關(guān)怎樣解析Mmap原理和使用方式，文章內(nèi)容質(zhì)量較高，因此小編分享給大家做個(gè)參考，希望大家閱讀完這篇文章后對(duì)相關(guān)知識(shí)有一定的了解。

一、傳統(tǒng)的讀寫(xiě)文件

一般來(lái)說(shuō)，修改一個(gè)文件的內(nèi)容需要如下3個(gè)步驟：

• 把文件內(nèi)容讀入到內(nèi)存中。

• 修改內(nèi)存中的內(nèi)容。

• 把內(nèi)存的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到文件中。

過(guò)程如圖 1 所示：

如果使用代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)上面的過(guò)程，代碼如下：

read(fd, buf, 1024);  // 讀取文件的內(nèi)容到buf ...                   // 修改buf的內(nèi)容 write(fd, buf, 1024); // 把buf的內(nèi)容寫(xiě)入到文件

從圖 1 中可以看出，頁(yè)緩存(page cache) 是讀寫(xiě)文件時(shí)的中間層，內(nèi)核使用 頁(yè)緩存 與文件的數(shù)據(jù)塊關(guān)聯(lián)起來(lái)。所以應(yīng)用程序讀寫(xiě)文件時(shí)，實(shí)際操作的是  頁(yè)緩存。

二、使用 mmap 讀寫(xiě)文件

從傳統(tǒng)讀寫(xiě)文件的過(guò)程中，我們可以發(fā)現(xiàn)有個(gè)地方可以優(yōu)化：如果可以直接在用戶空間讀寫(xiě) 頁(yè)緩存，那么就可以免去將 頁(yè)緩存  的數(shù)據(jù)復(fù)制到用戶空間緩沖區(qū)的過(guò)程。

那么，有沒(méi)有這樣的技術(shù)能實(shí)現(xiàn)上面所說(shuō)的方式呢?答案是肯定的，就是 mmap。

使用 mmap 系統(tǒng)調(diào)用可以將用戶空間的虛擬內(nèi)存地址與文件進(jìn)行映射(綁定)，對(duì)映射后的虛擬內(nèi)存地址進(jìn)行讀寫(xiě)操作就如同對(duì)文件進(jìn)行讀寫(xiě)操作一樣。原理如圖 2  所示：

前面我們介紹過(guò)，讀寫(xiě)文件都需要經(jīng)過(guò) 頁(yè)緩存，所以 mmap 映射的正是文件的 頁(yè)緩存，而非磁盤(pán)中的文件本身。由于 mmap 映射的是文件的  頁(yè)緩存，所以就涉及到同步的問(wèn)題，即 頁(yè)緩存 會(huì)在什么時(shí)候把數(shù)據(jù)同步到磁盤(pán)。

Linux 內(nèi)核并不會(huì)主動(dòng)把 mmap 映射的 頁(yè)緩存 同步到磁盤(pán)，而是需要用戶主動(dòng)觸發(fā)。同步 mmap 映射的內(nèi)存到磁盤(pán)有 4 個(gè)時(shí)機(jī)：

• 調(diào)用 msync 函數(shù)主動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步(主動(dòng))。

• 調(diào)用 munmap 函數(shù)對(duì)文件進(jìn)行解除映射關(guān)系時(shí)(主動(dòng))。

• 進(jìn)程退出時(shí)(被動(dòng))。

• 系統(tǒng)關(guān)機(jī)時(shí)(被動(dòng))。

三、mmap的使用方式

下面我們介紹一下怎么使用 mmap，mmap 函數(shù)的原型如下：

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

下面介紹一下 mmap 函數(shù)的各個(gè)參數(shù)作用：

• addr：指定映射的虛擬內(nèi)存地址，可以設(shè)置為 NULL，讓 Linux 內(nèi)核自動(dòng)選擇合適的虛擬內(nèi)存地址。

• length：映射的長(zhǎng)度。

• prot：映射內(nèi)存的保護(hù)模式，可選值如下：

• PROT_EXEC：可以被執(zhí)行。

• PROT_READ：可以被讀取。

• PROT_WRITE：可以被寫(xiě)入。

• PROT_NONE：不可訪問(wèn)。

• flags：指定映射的類型，常用的可選值如下：

• MAP_FIXED：使用指定的起始虛擬內(nèi)存地址進(jìn)行映射。

• MAP_SHARED：與其它所有映射到這個(gè)文件的進(jìn)程共享映射空間(可實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存)。

• MAP_PRIVATE：建立一個(gè)寫(xiě)時(shí)復(fù)制(Copy on Write)的私有映射空間。

• MAP_LOCKED：鎖定映射區(qū)的頁(yè)面，從而防止頁(yè)面被交換出內(nèi)存。

• ...

• fd：進(jìn)行映射的文件句柄。

• offset：文件偏移量(從文件的何處開(kāi)始映射)。

介紹完 mmap 函數(shù)的原型后，我們現(xiàn)在通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的例子介紹怎么使用 mmap：

int fd = open(filepath, O_RDWR, 0644);                           // 打開(kāi)文件 void *addr = mmap(NULL, 8192, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 4096); // 對(duì)文件進(jìn)行映射

在上面例子中，我們先通過(guò) open 函數(shù)以可讀寫(xiě)的方式打開(kāi)文件，然后通過(guò) mmap 函數(shù)對(duì)文件進(jìn)行映射，映射的方式如下：

• addr 參數(shù)設(shè)置為 NULL，表示讓操作系統(tǒng)自動(dòng)選擇合適的虛擬內(nèi)存地址進(jìn)行映射。

• length 參數(shù)設(shè)置為 8192 表示映射的區(qū)域?yàn)?2 個(gè)內(nèi)存頁(yè)的大小(一個(gè)內(nèi)存頁(yè)的大小為 4 KB)。

• prot 參數(shù)設(shè)置為 PROT_WRITE 表示映射的內(nèi)存區(qū)為可讀寫(xiě)。

• flags 參數(shù)設(shè)置為 MAP_SHARED 表示共享映射區(qū)。

• fd 參數(shù)設(shè)置打開(kāi)的文件句柄。

• offset 參數(shù)設(shè)置為 4096 表示從文件的 4096 處開(kāi)始映射。

mmap 函數(shù)會(huì)返回映射后的內(nèi)存地址，我們可以通過(guò)此內(nèi)存地址對(duì)文件進(jìn)行讀寫(xiě)操作。我們通過(guò)圖 3 展示上面例子在內(nèi)核中的結(jié)構(gòu)：

關(guān)于怎樣解析Mmap原理和使用方式就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對(duì)大家有一定的幫助，可以學(xué)到更多知識(shí)。如果覺(jué)得文章不錯(cuò)，可以把它分享出去讓更多的人看到。