深入探究Linux mmap的实现方式 (linux mmap 实现)

在Linux系统中，mmap是一种常用的内存映射方式。通过mmap，可以将一个文件或者一个设备映射到进程的地址空间，使得进程可以像访问普通内存一样访问文件或设备。mmap方法的实现方式十分复杂，本文将从实现角度。

一、Linux mmap的基本概念

mmap是Linux内核提供的一种I/O操作接口，可以将文件或设备映射到进程的地址空间，使得进程可以像访问普通内存一样访问文件或设备。mmap可以将一个文件或设备的整个实体映射到地址空间，也可以根据需要进行部分映射。mmap一般用于需要频繁访问文件或设备的应用程序，可以大大提高I/O性能。

mmap主要通过vma（Virtual Memory Area）描述地址空间中的映射区域。vma结构体包括映射区域的起始地址、大小、访问权限、映射的对象（文件或设备）等信息。在Linux系统中，每个进程都有自己的地址空间，由多个vma描述。

二、Linux mmap的实现方式

Linux mmap的实现方式十分复杂，下面将详细介绍Linux mmap的实现原理。

1. mmap系统调用的实现

在用户进程调用mmap系统调用时，Linux内核会调用sys_mmap函数。sys_mmap函数首先对参数进行检查，然后调用do_mmap函数实现具体的映射操作。

do_mmap的实现过程如下：

（1）调用vm_area_struct *find_vma(struct mm_struct *mm, unsigned long addr)函数找到当前进程地址空间中addr处的vma。

（2）判断当前的vma是否与要映射的地址重叠，如果重叠则返回错误。

（3）调用get_unmapped_area函数找到当前进程地址空间中一段未映射的区域。

（4）调用vm_area_struct *vm_area_alloc(struct mm_struct *mm)函数为新的vma分配一块地址空间，将映射信息存储到vma结构体中。

（5）调用do_mmap_pgoff函数实现将文件映射到地址空间中，具体实现会在下面介绍。

2. 文件的映射

在调用do_mmap_pgoff函数时，首先需要根据文件的inode号在内存中建立与文件对应的页表项（Page Table Entries，PTE）。Linux内核中的PTE有两种类型：软件PTE和硬件PTE。软件PTE由内核管理，记录一个vma所映射的虚拟地址和实际物理地址之间的映射关系。硬件PTE由CPU的内存管理单元（Memory Management Unit，MMU）管理，记录一个进程虚拟地址和实际物理地址之间的映射关系。

建立好PTE后，就可以将文件内容映射到进程的地址空间中。具体步骤如下：

（1）调用file->f_op->mmap函数获取文件的页表（Page Table）。

（2）在vma结构体中寻找相应的PTE记录，如果找到了，则表示之前已经将文件的部分或者全部内容映射到该进程的地址空间中。

（3）如果没有找到相应的PTE记录，则需要创建一个新的PTE，将文件内容映射到相应的虚拟地址中。

（4）通过vm_insert_page函数将新的PTE插入到进程的页表中。

（5）通过page_cache_release函数释放文件的缓存。

映射完成后，Linux内核会根据vma的属性设置相应的属性，比如可读可写可执行等。

3. 延迟映射

在Linux系统中，为了提高页表的访问效率，采用了一种称为延迟映射（Lazy Mapping）的策略。延迟映射指的是在访问一个虚拟地址时，才会真正将相应的内存页映射到物理内存上，而不是在mmap时就将整个文件映射到物理内存中。

延迟映射的优点在于可以大大减少内存的消耗，因为不是所有的文件都被频繁访问，对于那些不常访问的文件，延迟映射可以将其在内存中定位但不占用实际内存。

4. 文件页管理

在Linux系统中，为了避免频繁访问磁盘，会针对常用的文件页面缓存。

常用的方法是，调用算法来实现文件页的管理。最常见的算法是LRU（Least Recently Used）算法，即最近最少使用算法，根据页表项的最近使用时间来判断哪些页应该被淘汰。其他的算法包括FIFO（First In First Out）、LFU（Least Frequently Used）等。

五、

本文详细介绍了Linux mmap的实现方式。mmap的实现涉及到面向对象编程、内存管理、硬件特性等多方面的知识。掌握Linux mmap的实现方式对于Linux系统的内核开发和应用开发都非常重要。