Linux内存映射原理
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一、为什么需要mmap，传统读文件的缺陷是什么？
二、mm_struct的各个区域划分
三、内存映射的基本原理
（1）分配虚拟地址区间
（2）建立地址、文件的映射关系
（3）缺页中断：触发数据加载
四、文件映射的关键特性：不止步于“读写文件”
（1）两种映射类型：文件映射与匿名映射
（2）映射标志：控制 “修改是否同步到文件”
（3）数据同步：何时写回磁盘？
四、文件映射的优势
1. 减少数据拷贝，提升效率
2. 简化编程：用 “内存操作” 代替 “文件操作”
3. 支持高效共享：多进程共享数据
五、内存映射的使用场景
1. 大文件处理（GB 级）
2. 进程间通信（IPC）
3. 设备操作（内存映射 IO）
在Linux中，内存映射（mmap）是一种让进程像访问物理内存一样操作文件或者其他设备的机制。他跳过了传统文件读写的内核缓冲区拷贝，大幅提升了数据交互的效率，同时也是进程间通信的高效手段。对于新手而言，理解mmap原理不仅能掌握一种高效的进程间通信手段，还能加深对虚拟地址空间的理解。
一、为什么需要mmap，传统读文件的缺陷是什么？
我们先来看看传统的read/write是如何读写文件的。
当读取一个文件的时候，数据会经历3次拷贝：
（1）内核把磁盘数据读入到读缓冲区（内核空间的一块内存）
（2）内核再把数据从内核空间的读缓冲区拷贝到用户空间定义的内存中（C语言层面的缓冲区）。
（3）从C语言层面的缓冲区读到上层应用中。
写入一个文件时则恰恰相反，不过这两种都有一个很明显的问题：数据要在用户空间和内核空间之间来回拷贝，如果处理大文件（比如几个 GB 的日志、数据库文件），频繁的拷贝会严重消耗 CPU 和内存带宽。
而内存映射的核心思想是：把文件或设备的一部分直接 “映射” 到进程的虚拟地址空间。此后，进程操作这块虚拟内存时，就像直接操作文件或设备本身 —— 无需read/write，也无需数据拷贝。
二、mm_struct的各个区域划分
在之前的文章中我们曾提及过用户虚拟地址空间的划分，即又mm_struct宏观管理、vm_area_struct精细管理。
struct mm_struct {/* 1. 内存区域管理核心 */struct vm_area_struct *mmap; // 所有内存区域链表（堆/栈/文件映射等）struct rb_root mm_rb; // 内存区域红黑树（快速查找）int map_count; // 内存区域总数/* 2. 程序代码与数据段（可执行文件加载区域） */unsigned long start_code; // 代码段起始地址（.text段）unsigned long end_code; // 代码段结束地址unsigned long start_data; // 数据段起始地址（.data/.bss段）unsigned long end_data; // 数据段结束地址/* 3. 堆区域 */unsigned long start_brk; // 堆起始地址（固定）unsigned long brk; // 堆当前结束地址（可扩展）/* 4. 栈区域 */unsigned long start_stack; // 用户栈起始地址（高地址）unsigned long stack_limit; // 栈的最低地址限制（栈向下生长的边界）/* 5. 文件映射与共享内存区域 */unsigned long mmap_base; // 文件映射区起始地址（mmap分配的地址从此开始）struct list_head mmap_shared; // 共享映射区域链表（如共享库、共享内存）/* 6. 命令行参数与环境变量区域（用户态初始化数据） */unsigned long arg_start; // 命令行参数起始地址unsigned long arg_end; // 命令行参数结束地址unsigned long env_start; // 环境变量起始地址unsigned long env_end; // 环境变量结束地址/* 7. 页表与地址空间控制 */pgd_t *pgd; // 页全局目录（虚拟地址转物理地址的根）unsigned long task_size; // 进程虚拟地址空间总大小（如32位4GB）/* 8. 引用与同步 */atomic_long_t mm_users; // 共享该内存空间的进程数（如线程）atomic_long_t mm_count; // 自身引用计数struct rw_semaphore mmap_sem; // 保护内存区域操作的信号量
};大致的示意图如下：
可以看到，一个进程PCB中会有一个mm_struct，而一个mm_struct会划分为多个区域，其中就有一个区域叫做文件映射区，但是文件映射区和其他的区域大不相同，比如堆区、栈区有自己的指针，每一个进程必定会有，所以有brk、start_stack这种指针。而文件映射区纯粹依赖于vm_area_struct链表的管理，在没有文件映射的情况下，不会创建vm_area_struct来精细描述，也就没有文件映射区了。（所有区域中仅仅栈、堆必定有专用指针，其余任何区域都纯粹依赖于vm_area_struct来管理，特点是使用时才创建，不存在时则无这个区域）
注意一点，如果有多个文件映射到这个进程，则每一个文件都有一个vm_area_atruct结构体，因为在上图中我们可以看出来一个vm_area_struct结构体只有一个struct file指针（即一个文件指针）。
三、内存映射的基本原理
内存映射的本质是在进程的虚拟地址空间和文件 / 设备的物理存储之间，建立一座 “映射桥梁”。具体可以拆分为三个关键步骤：
（1）分配虚拟地址区间
当进程调用mmap函数时，内核会在进程的虚拟地址空间中，划分出一块连续的 “空闲虚拟地址区间”，尽管虚拟地址空间已经有一部分被划分为了各个区域和自己的vm_area_struct，但是总归有没有使用到的地方，就给了文件映射区，这个区域通常我们让内核自己去找，而非手动设置。这块区间的大小与要映射的文件 / 设备大小（或指定的长度）一致，比如映射一个 10MB 的文件，就会分配 10MB 的虚拟地址。
注意：此时只是分配了 “虚拟地址”，并没有实际占用物理内存，就像给你一张 “提货单”，但货物还没送到仓库。
（2）建立地址、文件的映射关系
内核会在进程的 “页表”（记录虚拟地址与物理地址对应关系的表格）中，添加一系列 “映射记录”：虚拟地址区间中的每个 “页”（通常 4KB），都会对应文件中的一个 “块”（比如文件的第 0-4095 字节对应虚拟地址的第 0-4095 字节）。
此时，虚拟地址和文件内容的映射关系已建立，但数据还没加载到物理内存。
注意：这一步并未填写页表，页表仍然为空。只是会根据mmap的各个参数，填写到vm_area_struct中，如文件偏移量、映射长度等。
（3）缺页中断：触发数据加载
当进程访问这块虚拟地址时（比如读取某个字节），CPU 会通过页表查找对应的物理地址。但此时物理地址还未分配（因为数据没加载），CPU 会触发 “缺页中断”，让内核处理：
- 内核会从磁盘读取文件中对应的块，加载到物理内存的某个页框（物理内存的最小单位）；
- 填写页表，将虚拟地址与刚分配的物理页框关联；
- 中断结束后，进程继续访问，此时就能读到物理内存中的数据了。
后续再访问同一部分数据时，因为已经在物理内存中，就不会触发缺页中断，直接通过页表映射访问即可。
四、文件映射的关键特性：不止步于“读写文件”
内存映射的强大之处，在于它的灵活性和多场景适配，核心特性包括：
（1）两种映射类型：文件映射与匿名映射
- 文件映射：将磁盘文件映射到虚拟地址空间，进程对虚拟地址的修改会同步到文件（取决于映射标志）。这是最常用的场景，比如编辑大文件时，编辑器会通过 mmap 映射文件，避免一次性加载整个文件到内存。
- 匿名映射：不关联任何文件，而是映射一块 “匿名内存”（由内核分配物理内存）。这种方式常用于进程间通信（通过共享匿名内存），或动态分配大块内存（比malloc更高效）。
- 在进程间通信方面，匿名映射比文件映射更加优秀，因为他会省去磁盘IO和文件管理的开销。普通的文件映射用于进程间通信，本质是多个进程映射到同一个物理地址，但是这个地址里面的内容最终还是会从物理内存拷贝到磁盘中，如果频繁修改，则可能产生大量的开销。同时，如果你仅仅使用他通信，最后还需要处理文件残留的问题。
如果是匿名映射则少了写回磁盘的部分：简单来说，匿名映射是轻量级、纯内存的共享方式，适合临时、高频的进程通信；而映射普通文件则更适合需要持久化数据的场景。 
（2）映射标志：控制 “修改是否同步到文件”
- MAP_SHARED：进程对虚拟地址的修改会同步到文件，且其他映射该文件的进程也能看到修改（共享变更）。比如多进程协作编辑同一个文件时，用这个标志能实时同步变更。
- MAP_PRIVATE：进程的修改不会同步到文件，也不会被其他进程看到（私有副本）。内核会在进程首次修改时，创建物理内存的 “私有副本”（写时复制，Copy-On-Write），避免影响原文件和其他进程。常用于临时读写文件，但不想污染源文件。
（3）数据同步：何时写回磁盘？
用MAP_SHARED映射时，修改不会立即写入磁盘，而是先存在物理内存的 “页缓存” 中，由内核在合适的时机（比如内存不足、调用msync函数、关闭映射）同步到磁盘。这与传统文件读写的 “延迟写” 机制一致，保证效率的同时减少磁盘 IO。
四、文件映射的优势
相比read/write等传统 IO 函数，内存映射的核心优势体现在：
1. 减少数据拷贝，提升效率
传统 IO 需要 “用户缓冲区←→内核缓冲区” 的拷贝，而内存映射通过虚拟地址直接访问内核页缓存（物理内存中的文件数据），跳过了用户态与内核态之间的拷贝。对于大文件（比如 1GB 以上），这种效率提升非常明显。
2. 简化编程：用 “内存操作” 代替 “文件操作”
进程可以像操作数组一样操作文件，比如：
// 映射文件后，直接通过指针修改虚拟地址
char *addr = mmap(...);
addr[100] = 'A'; // 相当于修改文件的第100个字节无需调用lseek定位、read/write传输，代码更简洁。
3. 支持高效共享：多进程共享数据
多个进程可以映射同一个文件（MAP_SHARED标志），实现 “共享内存”：一个进程的修改会自动同步到其他进程（因为共享物理内存中的页缓存）。这比管道、消息队列等 IPC 方式更高效，是数据库、分布式系统中进程协作的常用手段。
五、内存映射的使用场景
内存映射不是 “银弹”，但在以下场景中能发挥最大价值：
1. 大文件处理（GB 级）
比如数据库读取超大表文件、日志系统分析海量日志。传统 IO 会因频繁拷贝导致效率低下，而 mmap 只需加载当前访问的部分数据（按需加载），适合处理远大于物理内存的文件。
2. 进程间通信（IPC）
多进程需要高频共享数据时（比如渲染引擎的多个线程共享帧缓存），用MAP_SHARED映射同一个文件（或匿名内存），比用管道传输数据更高效（无拷贝、低延迟）。
3. 设备操作（内存映射 IO）
Linux 中很多设备（如显卡、网卡）的寄存器和缓冲区会被映射到物理地址空间，进程可以通过 mmap 将这些物理地址映射到虚拟地址，直接操作设备（比如向显卡寄存器写入像素数据），这是设备驱动开发的核心方式。