Linux 內存管理 - 詳解 mmap 原理

1. 一句話概括 mmap

mmap 的作用，在應用這一層，是讓你把文件的某一段，當作內存一樣來訪問。將文件映射到物理內存，將進程虛擬空間映射到那塊內存。

這樣，進程不僅能像訪問內存一樣讀寫文件，多個進程映射同一文件，還能保證虛擬空間映射到同一塊物理內存，達到內存共享的作用。

2. 虛擬內存？虛擬空間？

其實是一個概念，前一篇對於這個詞沒有確切的定義，現在定義一下：

虛擬空間就是進程看到的所有地址組成的空間，虛擬空間是某個進程對分配給它的所有物理地址（已經分配的和將會分配的）的重新映射。

而虛擬內存，爲啥叫虛擬內存，是因爲它就不是真正的內存，是假的，因爲它是由地址組成的空間，所以在這裏，使用虛擬空間這個詞更加確切和易懂。（不過虛擬內存這個詞也不算錯）

2.1 虛擬空間原理

2.1.1 物理內存

首先，物理地址實際上也不是連續的，通常是包含作爲主存的 DRAM 和 IO 寄存器

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

現在的 CPU 利用 PCI 總線將 IO 寄存器映射到物理內存，所以出現了基於內存訪問的 IO。

還有一點補充的，就如同進程空間有一塊內核空間一樣，物理內存也會有極小一部分是不能訪問的，爲內核所用。

2.1.2 三個總線

這裏再補充下三個總線的知識，即：地址總線、數據總線、控制總線

• 地址總線，用來傳輸地址

• 數據總線，用來傳輸數據

• 控制總線，用來傳輸命令

比如 CPU 通過控制總線發送讀取命令，同時用地址總線發送要讀取的數據虛地址，經過 MMU 後到內存

內存通過數據總線將數據傳輸給 CPU。

虛擬地址的空間和指令集的地址長度有關，不一定和物理地址長度一致，比如現在的 64 位處理器，從 VA 角度看來，可以訪問 64 位的地址，但地址總線長度只有 48 位，所以你可以訪問一個位於 2^52 這個位置的地址。

2.1.3 虛擬內存地址轉換（虛地址轉實地址）

上面已經明確了虛擬內存是虛擬空間，即地址的集合這一概念。基於此，來說說原理。

如果還記得操作系統課程裏面提到的虛地址，那麼這個虛地址就是虛擬空間的地址了，虛地址通過轉換得到實地址，轉換方式課程內也講得很清楚，虛地址頭部包含了頁號（段地址和段大小，看存儲模式：頁存儲、段存儲，段頁式），剩下部分是偏移量，經過 MMU 轉換成實地址。

存儲方式

如圖則是頁式存儲動態地址變換的方式

虛擬地址頭部爲頁號通過查詢頁表得到物理頁號，假設一頁時 1K，那麼頁號 * 偏移量就得到物理地址

如圖所示，段式存儲

虛擬地址頭部爲段號，段表中找到段基地址加上偏移量得到實地址

段頁式結合兩者，如圖所示。

3. mmap 映射

至此，如果對虛擬空間已經瞭解了，那麼接下來，作爲 coder，應該自動把虛擬空間無視掉，因爲 Linux 的目的也是要讓更多額進程能享用內存，又不讓進程做麻煩的事情，是將虛擬空間和 MMU 都透明化，讓進程（和 coder）只需要管對內存怎樣使用。

所以現在開始不再強調虛擬空間了。

mmap 就是將文件映射到內存上，進程直接對內存進行讀寫，然後就會反映到磁盤上。

• 虛擬空間獲取到一段連續的地址

• 在沒有讀寫的時候，這個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分配給 進程的）

• 好了，根據偏移量，進程要讀文件數據了，數據佔在兩個頁當中（物理內存着色部分）

• 這時，進程開始使用內存了，所以 OS 給這兩個頁分配了內存（即缺頁異常）（其餘部分還是沒有分配）

• 然後剛分配的頁內是空的，所以再將相同偏移量的文件數據拷貝到物理內存對應頁上。

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