转自:http://blog.csdn.net/yusiguyuan/article/details/23388771
内存映射,简而言之就是将用户空间的一段内存区域映射到内核空间,映射成功后,用户对这段内存区域的修改可以直接反映到内核空间,同样,内核空间对这段区域的修改也直接反映用户空间。那么对于内核空间<---->用户空间两者之间需要大量数据传输等操作的话效率是非常高的。
mmap用于把文件映射到内存空间中,简单说mmap就是把一个文件的内容在内存里面做一个映像。映射成功后,用户对这段内存区域的修改可以直接反映到内核空间,同样,内核空间对这段区域的修改也直接反映用户空间。那么对于内核空间<---->用户空间两者之间需要大量数据传输等操作的话效率是非常高的。
原理
首先,“映射”这个词,就和数学课上说的“一一映射”是一个意思,就是建立一种一一对应关系,在这里主要是只 硬盘上文件 的位置与进程 逻辑地址空间 中一块大小相同的区域之间的一一对应,如图1中过程1所示。这种对应关系纯属是逻辑上的概念,物理上是不存在的,原因是进程的逻辑地址空间本身就是不存在的。在内存映射的过程中,并没有实际的数据拷贝,文件没有被载入内存,只是逻辑上被放入了内存,具体到代码,就是建立并初始化了相关的数据结构(struct address_space),这个过程有系统调用mmap()实现,所以建立内存映射的效率很高。
图1.内存映射原理
既然建立内存映射没有进行实际的数据拷贝,那么进程又怎么能最终直接通过内存操作访问到硬盘上的文件呢?那就要看内存映射之后的几个相关的过程了。
mmap()会返回一个指针ptr,它指向进程逻辑地址空间中的一个地址,这样以后,进程无需再调用read或write对文件进行读写,而只需要通过ptr就能够操作文件。但是ptr所指向的是一个逻辑地址,要操作其中的数据,必须通过MMU将逻辑地址转换成物理地址,如图1中过程2所示。这个过程与内存映射无关。
前面讲过,建立内存映射并没有实际拷贝数据,这时,MMU在地址映射表中是无法找到与ptr相对应的物理地址的,也就是MMU失败,将产生一个缺页中断,缺页中断的中断响应函数会在swap中寻找相对应的页面,如果找不到(也就是该文件从来没有被读入内存的情况),则会通过mmap()建立的映射关系,从硬盘上将文件读取到物理内存中,如图1中过程3所示。这个过程与内存映射无关。
如果在拷贝数据时,发现物理内存不够用,则会通过虚拟内存机制(swap)将暂时不用的物理页面交换到硬盘上,如图1中过程4所示。这个过程也与内存映射无关。
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。
图2.read系统调用原理
下面这个程序,通过read和mmap两种方法分别对硬盘上一个名为“mmap_test”的文件进行操作,文件中存有10000个整数,程序两次使用不同的方法将它们读出,加1,再写回硬盘。通过对比可以看出,read消耗的时间将近是mmap的两到三倍。
1 #include<unistd.h> 2 3 #include<stdio.h> 4 5 #include<stdlib.h> 6 7 #include<string.h> 8 9 #include<sys/types.h> 10 11 #include<sys/stat.h> 12 13 #include<sys/time.h> 14 15 #include<fcntl.h> 16 17 #include<sys/mman.h> 18 19 20 21 #define MAX 10000 22 23 24 25 int main() 26 27 { 28 29 int i=0; 30 31 int count=0, fd=0; 32 33 struct timeval tv1, tv2; 34 35 int *array = (int *)malloc( sizeof(int)*MAX ); 36 37 38 39 /*read*/ 40 41 42 43 gettimeofday( &tv1, NULL ); 44 45 fd = open( "mmap_test", O_RDWR ); 46 47 if( sizeof(int)*MAX != read( fd, (void *)array, sizeof(int)*MAX ) ) 48 49 { 50 51 printf( "Reading data failed.../n" ); 52 53 return -1; 54 55 } 56 57 for( i=0; i<MAX; ++i ) 58 59 60 61 ++array[ i ]; 62 63 if( sizeof(int)*MAX != write( fd, (void *)array, sizeof(int)*MAX ) ) 64 65 { 66 67 printf( "Writing data failed.../n" ); 68 69 return -1; 70 71 } 72 73 free( array ); 74 75 close( fd ); 76 77 gettimeofday( &tv2, NULL ); 78 79 printf( "Time of read/write: %dms/n", tv2.tv_usec-tv1.tv_usec ); 80 81 82 83 /*mmap*/ 84 85 86 87 gettimeofday( &tv1, NULL ); 88 89 fd = open( "mmap_test", O_RDWR ); 90 91 array = mmap( NULL, sizeof(int)*MAX, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0 ); 92 93 for( i=0; i<MAX; ++i ) 94 95 96 97 ++array[ i ]; 98 99 munmap( array, sizeof(int)*MAX ); 100 101 msync( array, sizeof(int)*MAX, MS_SYNC ); 102 103 free( array ); 104 105 close( fd ); 106 107 gettimeofday( &tv2, NULL ); 108 109 printf( "Time of mmap: %dms/n", tv2.tv_usec-tv1.tv_usec ); 110 111 112 113 return 0; 114 115 }
输出结果:
Time of read/write: 154msTime of mmap: 68ms