操作系统(9)虚拟内存-内存映射

在 Linux 中,内存映射 是一种将文件或设备的内容直接映射到进程虚拟地址空间的机制,使进程能像操作普通内存一样访问文件或共享内存,核心由系统调用 mmap 实现,涉及虚拟内存管理、缺页异常处理等底层机制。以下是其关键知识点的详细解析:

9.1内存映射的分类与概念

  1. 文件映射 将磁盘文件的一段区间映射到进程虚拟地址空间,数据源为文件。例如数据库、大文件的随机读写场景,可避免频繁的 read/write 系统调用,提升性能。

  2. 匿名映射无文件支持的内存映射,将物理内存直接映射到虚拟地址空间(如进程堆、栈或共享内存)。典型场景包括进程内大块内存分配、父子进程共享内存等。

  3. 共享映射与私有映射

    • 共享映射:多个进程映射同一区域时,修改会同步到文件或其他进程。
    • 私有映射:修改仅在当前进程的内存副本中生效,不影响文件或其他进程。

9.2核心系统调用:mmapmunmap

1. mmap 原型与参数
cpp 复制代码
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
  • addr:期望的映射起始地址(通常设为 NULL,由系统自动分配)。
  • length:映射区域的大小(需页对齐,通常为 4KB 的整数倍)。
  • prot:内存保护权限(PROT_READPROT_WRITEPROT_EXECPROT_NONE 组合)。
  • flags:映射类型(如 MAP_SHAREDMAP_PRIVATEMAP_ANONYMOUS)。
  • fd:文件描述符(匿名映射时为 -1)。
  • offset:文件内的偏移量(需页对齐)。
2. munmap 用于解除映射·
cpp 复制代码
int munmap(void *addr, size_t length);

9.3底层实现机制

  1. 虚拟内存区域(vm_area_struct 映射时,内核在进程虚拟地址空间中创建一个 vm_area_struct 结构体,描述该映射区域的起始 / 结束地址、权限、映射类型等信息。

  2. 延迟分配与缺页异常 内核采用 "延迟分配" 策略:仅在进程首次访问 映射区域时,触发缺页异常,再分配物理内存并建立页表映射:

    • 文件映射:从文件读取数据到物理页,更新页表。
    • 匿名映射:直接分配物理页,初始化后更新页表。
  3. 页表与地址翻译通过多级页表(如 PGD→PUD→PMD→PTE)管理虚拟地址到物理地址的映射。MMU(内存管理单元)在访问时自动解析页表,若页表项不存在则触发缺页异常,由内核处理。

9.4典型应用场景

  1. 高效文件操作 示例:将文件映射到内存后直接修改,无需 read/write

    cpp 复制代码
    #include <fcntl.h>
    #include <sys/mman.h>
    int fd = open("test.txt", O_RDWR);
    char *map = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    strcpy(map, "直接修改文件内容");
    munmap(map, 4096);
    close(fd);
  2. 进程间共享内存两个进程映射同一文件的共享区域,实现数据共享:

    cpp 复制代码
    // 进程A
    int fd = open("shared.dat", O_CREAT | O_RDWR, 0666);
    ftruncate(fd, 4096);
    char *shm = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    strcpy(shm, "共享数据");
    
    // 进程B
    int fd = open("shared.dat", O_RDWR);
    char *shm = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    printf("%s\n", shm); // 输出"共享数据"
  3. 匿名内存分配 分配不关联文件的内存区域(类似 malloc,但由内核直接管理):

    cpp 复制代码
    void *ptr = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
    strcpy((char*)ptr, "匿名映射内存");
    munmap(ptr, 4096);
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