Mmap的实现原理和应用

http://blog.csdn.net/edwardlulinux/article/details/8604400

很多文章分析了mmap的实现原理。从代码的逻辑来分析，总是觉没有把mmap后读写映射区域和普通的read/write联系起来。不得不产生疑问：

1，普通的read/write和mmap后的映射区域的读写到底有什么区别。

2， 为什么有时候会选择mmap而放弃普通的read/write。

3，如果文章中的内容有不对是或者是不妥的地方，欢迎大家指正。

围绕着这两个问题分析一下，其实在考虑这些问题的同时不免和其他的很多系统机制产生交互。虽然是讲解mmap，但是很多知识还是为了阐明问题做必要的铺垫。这些知识也正是linux的繁琐所在。一个应用往往和系统中的多种机制交互。这篇文章中尽量减少对源代码的引用和分析。把这样的工作留到以后的细节分析中。但是很多分析的理论依据还是来自于源代码。可见源代码的重要地位。

基础知识：

1， 进程每次切换后，都会在tlb base寄存器中重新load属于每一个进程自己的地址转换基地址。在cpu当前运行的进程中都会有current宏来表示当前的进程的信息。应为这个代码实现涉及到硬件架构的问题，为了避免差异的存在在文章中用到硬件知识的时候还是指明是x86的架构，毕竟x86的资料和分析的研究人员也比较多。其实arm还有其他类似的RISC的芯片，只要有mmu支持的，都会有类似的基地址寄存器。

2， 在系统运行进程之前都会为每一个进程分配属于它自己的运行空间。并且这个空间的有效性依赖于tlb base中的内容。32位的系统中访问的空间大小为4G。在这个空间中进程是“自由”的。所谓“自由”不是说对于4G的任何一个地址或者一段空间都可以访问。如果要访问，还是要遵循地址有效性，就是tlb base中所指向的任何页表转换后的物理地址。其中的有效性有越界，权限等等检查。

3， 任何一个用户进程的运行在系统分配的空间中。这个空间可以有

vma：struct vm_area_struct来表示。所有的运行空间可以有这个结构体描述。用户进程可以分为text data 段。这些段的具体在4G中的位置有不同的vma来描述。Vma的管理又有其他机制保证，这些机制涉及到了算法和物理内存管理等。请看一下两个图片：

图 一：

图 二：

系统调用中的write和read：

这里没有指定确切的文件系统类型作为分析的对象。找到系统调用号，然后确定具体的文件系统所带的file operation。在特定的file operation中有属于每一种文件系统自己的操作函数集合。其中就有read和write。

图 三：

在真正的把用户数据读写到磁盘或者是存储设备前，内核还会在page cache中管理这些数据。这些page的存在有效的管理了用户数据和读写的效率。用户数据不是直接来自于应用层，读(read)或者是写入(write)磁盘和存储介质，而是被一层一层的应用所划分，在每一层次中都会有不同的功能对应。最后发生交互时，在最恰当的时机触发磁盘的操作。通过IO驱动写入磁盘和存储介质。这里主要强调page cache的管理。应为page的管理设计到了缓存，这些缓存以page的单位管理。在没有IO操作之前，暂时存放在系统空间中，而并未直接写入磁盘或者存贮介质。

系统调用中的mmap：

当创建一个或者切换一个进程的同时，会把属于这个当前进程的系统信息载入。这些系统信息中包含了当前进程的运行空间。当用户程序调用mmap后。函数会在当前进程的空间中找到适合的vma来描述自己将要映射的区域。这个区域的作用就是将mmap函数中文件描述符所指向的具体文件中内容映射过来。

原理是：mmap的执行，仅仅是在内核中建立了文件与虚拟内存空间的对应关系。用户访问这些虚拟内存空间时，页面表里面是没有这些空间的表项的。当用户程序试图访问这些映射的空间时，于是产生缺页异常。内核捕捉这些异常，逐渐将文件载入。所谓的载入过程，具体的操作就是read和write在管理pagecache。Vma的结构体中有很文件操作集。vma操作集中会有自己关于page cache的操作集合。这样，虽然是两种不同的系统调用，由于操作和调用触发的路径不同。但是最后还是落实到了page cache的管理。实现了文件内容的操作。

Ps：

文件的page cache管理也是很好的内容。涉及到了address space的操作。其中很多的内容和文件操作相关。

效率对比：

这里应用了网上一篇文章。发现较好的分析，着这里引用一下。

Mmap：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <unistd.h>

#include <sys/mman.h>

void main()

{

int fd = open("test.file", 0);

struct stat statbuf;

char *start;

char buf[2] = {0};

int ret = 0;

fstat(fd, &statbuf);

start = mmap(NULL, statbuf.st_size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);

do {

*buf = start[ret++];

}while(ret < statbuf.st_size);

}

Read：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

void main()

{

FILE *pf = fopen("test.file", "r");

char buf[2] = {0};

int ret = 0;

do {

ret = fread(buf, 1, 1, pf);

}while(ret);

}

运行结果：

[xiangy@compiling-server test_read]$ time ./fread

real    0m0.901s

user    0m0.892s

sys     0m0.010s

[xiangy@compiling-server test_read]$ time ./mmap

real    0m0.112s

user    0m0.106s

sys     0m0.006s

[xiangy@compiling-server test_read]$ time ./read

real    0m15.549s

user    0m3.933s

sys     0m11.566s

[xiangy@compiling-server test_read]$ ll test.file

-rw-r--r-- 1 xiangy svx8004 23955531 Sep 24 17:17 test.file

可以看出使用mmap后发现，系统调用所消耗的时间远远比普通的read少很多