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文章編號：10528時間：2024-09-28人氣：
首先，“映射”這個詞，就和數學課上說的“一一映射”是一個意思，就是建立一種一一對應關系，在這里主要是只硬盤上文件的位置與進程邏輯地址空間中一塊大小相同的區域之間的一一對應，如圖1中過程1所示。 這種對應關系純屬是邏輯上的概念，物理上是不存在的，原因是進程的邏輯地址空間本身就是不存在的。 在內存映射的過程中，并沒有實際的數據拷貝，文件沒有被載入內存，只是邏輯上被放入了內存，具體到代碼，就是建立并初始化了相關的數據結構（struct address_space），這個過程有系統調用mmap()實現，所以建立內存映射的效率很高。 既然建立內存映射沒有進行實際的數據拷貝，那么進程又怎么能最終直接通過內存操作訪問到硬盤上的文件呢？那就要看內存映射之后的幾個相關的過程了。 mmap()會返回一個指針ptr，它指向進程邏輯地址空間中的一個地址，這樣以后，進程無需再調用read或write對文件進行讀寫，而只需要通過ptr就能夠操作文件。 但是ptr所指向的是一個邏輯地址，要操作其中的數據，必須通過MMU將邏輯地址轉換成物理地址，如圖1中過程2所示。 這個過程與內存映射無關。 前面講過，建立內存映射并沒有實際拷貝數據，這時，MMU在地址映射表中是無法找到與ptr相對應的物理地址的，也就是MMU失敗，將產生一個缺頁中斷，缺頁中斷的中斷響應函數會在swap中尋找相對應的頁面，如果找不到（也就是該文件從來沒有被讀入內存的情況），則會通過mmap()建立的映射關系，從硬盤上將文件讀取到物理內存中，如圖1中過程3所示。 這個過程與內存映射無關。 如果在拷貝數據時，發現物理內存不夠用，則會通過虛擬內存機制（swap）將暫時不用的物理頁面交換到硬盤上，如圖1中過程4所示。 這個過程也與內存映射無關。 mmap的強大之處在于，它可以根據參數配置，用于創建共享內存，從而提高文件映射區域的IO效率，實現IO零拷貝，后面講下零拷貝的技術，對比下，決定這些功能的主要就是三個參數，下面一一解釋prot四種情況如下：flags比較有代表性的如下：fd當參數fd不等于0時，內存映射將與文件進行關聯，如果等于0，就會變成匿名映射，此時flags必為MAP_ANONYMOUS一個mmap竟有如此豐富的功能，從申請分配內存到加載動態庫，再到進程間通信，真的是無所不能，強大到讓人五體投地。 下面就著四種情況，拿一個我最關心的父子進程通信來舉例看下，實現一個簡單的父子進程通信邏輯，畢竟我們學習的目的就是為了應用，光有理論怎么能稱之為合格的博客呢？父子進程共享內存運行后打印如下用mmap創建了一塊匿名共享內存區域，fd傳入-1和MAP_ANONYMOUS配置實現匿名映射，使用MAP_SHARED創建共享區域，使用fork函數創建子進程，這樣來實現子進程通信，通過sprintf將格式化后的數據寫入到共享內存中。 通過簡單的幾行代碼就實現了跨進程通信，如此簡單，這么強大的東西，背后有什么支撐么？帶著問題我們接著一探究竟。 MMAP背后的保護神說到MMAP的保護神，首頁了解下內存頁：在頁式虛擬存儲器中，會在虛擬存儲空間和物理主存空間都分割為一個個固定大小的頁，為線程分配內存也是以頁為單位。 比如：頁的大小為4K，那么4GB存儲空間就需要4GB/4KB=1M條記錄，即有100多萬個4KB的頁，內存頁中，當用戶發生文件讀寫時，內核會申請一個內存頁與文件進行讀寫操作，如圖：這時如果內存頁中沒有數據，就會發生一種中斷機制，它就叫缺頁中斷，此中斷就是MMAP的保護神，為什么這么說呢？我們知道mmap函數調用后，在分配時只是建立了進程虛擬地址空間，并沒有分配虛擬內存對應的物理內存，當訪問這些沒有建立映射關系的虛擬內存時，CPU加載指令發現代碼段是缺失的，就觸發了缺頁中斷，中斷后，內核通過檢查虛擬地址的所在區域，發現存在內存映射，就可以通過虛擬內存地址計算文件偏移，定位到內存所缺的頁對應的文件的頁，由內核啟動磁盤IO，將對應的頁從磁盤加載到內存中。 最終保護mmap能順利進行，無私奉獻。 了解完缺頁中斷，我們再來細聊下mmap四種場景下的內存分配原理四種場景分配原理上面是一個簡單的原理總結，并沒有詳細的展開，感興趣可以自己查查資料哈。 以上就是Android開發中技術，非常重要的mmap原理解析，更多Android高級進階技術；可以參考《Android核心技術手冊》里面內容包含30幾個模塊。 本次分享，主要介紹了mmap的四種應用場景，通過一個實例驗證了父子進程間的通信，并深入mmap找到它的保護神，且深入了解到mmap在四種場景下，操作系統是如何組織分配，通過對這些的了解，在你之后的mmap實戰應用有了更好的理論基礎，可以根據不同的需求，不同的性能要求等，選擇最合適的實現。
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