Linux----mmap

在学习 Linux 内存管理、多线程或高性能 I/O 时，mmap() 是一个绕不开的系统调用。很多人第一次接触它，都会把它理解成"另一种 malloc"，但实际上 mmap 是 Linux 虚拟内存机制中最核心、最基础的接口之一。

本文将从是什么、能做什么、怎么用、为什么重要四个层次，系统地梳理 mmap。

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一、一句话理解 mmap

mmap() 的本质不是"分配内存"，而是建立一段虚拟地址空间与某种资源之间的映射关系。

这里的"资源"可以是：

• 磁盘文件

• 匿名内存（不对应任何文件）

• 设备（如共享内存、显存等）

一旦映射建立，程序就可以像访问普通内存一样访问这些资源。

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二、mmap 在 Linux 中处于什么位置？

从抽象层次看：

应用程序
   ↓
libc (malloc / fopen / pthread)
   ↓
mmap / brk / read / write  ← 关键接口
   ↓
虚拟内存系统（页表 / 缺页异常）
   ↓
物理内存 / 磁盘 / 设备

mmap 是连接"用户程序"与"虚拟内存系统"的桥梁。

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三、mmap 的两种核心用法

文件映射（File-backed mapping）

int fd = open("data.bin", O_RDONLY);
void *addr = mmap(NULL, size,
                  PROT_READ,
                  MAP_PRIVATE,
                  fd, 0);

含义：

• 把文件的一部分映射进进程地址空间

• 对内存的访问 ≈ 对文件的访问

特点：

• 不需要 read() / write()

• 利用页缓存，按需加载

• 支持零拷贝

典型应用：

• 加载共享库（.so）

• 大文件随机访问

• 数据库、搜索引擎

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匿名映射（Anonymous mapping）

void *addr = mmap(NULL, size,
                  PROT_READ | PROT_WRITE,
                  MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS,
                  -1, 0);

含义：

• 映射一段"无来源"的内存

• 不对应任何磁盘文件

这正是：

• 线程栈

• 大块动态内存

• 共享内存

的底层来源。

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四、mmap 和 malloc 的关系

这是一个经典问题。

对比项	malloc	mmap
层级	库函数	系统调用
小内存	使用 brk 扩展堆	不适合
大内存	内部直接用 mmap	非常适合
回收	可能延迟	munmap 立即释放
碎片	容易产生	相对较少

glibc 的 malloc 在分配大块内存时，本身就会调用 mmap。

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五、为什么 mmap 不"立刻占用"物理内存？

这是理解虚拟内存的关键。

mmap → 建立映射关系
访问 → 缺页异常
缺页 → 分配物理页

特点：

• mmap 本身几乎是 O(1)

• 物理内存按需分配

• 未访问的映射不消耗 RAM

这也是 mmap 高效、可扩展 的根本原因。

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六、mmap 与多线程：线程栈从哪里来？

在 Linux 中：

• 主线程栈：由内核在 execve 时建立

• 新线程栈：

  • 由 pthread 库

  • 使用 mmap(MAP_ANONYMOUS) 分配

在 /proc/<pid>/maps 中常见：

7ffde9c1d000-7ffde9c3e000 rw-p ... [stack]
7f8c2a400000-7f8c2ac00000 rw-p ... [stack:tid]

所谓"线程栈在共享映射区"，指的正是这些 mmap 出来的匿名映射区域。

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七、为什么 mmap 比 read/write 快？

read/write 至少需要一次"内核缓冲区 → 用户缓冲区"的数据拷贝；
mmap 让用户进程直接访问内核页缓存中的数据，从而避免了这一次拷贝。

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先看 read/write 的真实路径

假设你调用：

read(fd, user_buf, size);

实际发生的事情是：

磁盘
 ↓ DMA
页缓存（Page Cache）      ← 内核态
 ↓ memcpy
用户缓冲区 user_buf       ← 用户态

关键点来了：

• 磁盘 → 页缓存

  • 这是 DMA

  • 必须有（磁盘不能直接 DMA 到用户空间）

• 页缓存 → user_buf

  • 这是一次 CPU 拷贝

  • 跨内核态 / 用户态边界

  • 成本高、不可避免（对 read/write）

这一步就是大家说的"用户态 ↔ 内核态拷贝"

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mmap 的路径：拷贝去哪了？

现在换成 mmap：

char *p = mmap(...);
char x = p[0];

实际路径是：

磁盘
 ↓ DMA
页缓存（Page Cache）
 ↑
用户进程直接访问（VA → 同一物理页）

关键差异

• 没有 memcpy

• 用户虚拟地址 直接映射到页缓存中的物理页

• CPU 只是做一次普通的内存 load/store

页缓存既是"内核缓冲区"，也是"用户可见内存"

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所以 mmap 到底"避免"了哪一次拷贝？

我们精确地说：

阶段	read/write	mmap
磁盘 → 内核页缓存	必须	必须
内核 → 用户	memcpy	无拷贝
用户访问	普通内存	普通内存

mmap 避免的是：

页缓存 → 用户缓冲区 的那次数据复制

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为什么这次拷贝"特别贵"？

CPU 成本高

• memcpy 是：

  • 逐字节 / cache line 拷贝

  • 占用 CPU

• 大文件 → 明显拖慢程序

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Cache 污染

• read/write：

  • 数据被复制到 user_buf

  • cache 中出现两份相同数据

• mmap：

  • 只有一份物理页

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NUMA / 大内存下更明显

• 大页拷贝跨 NUMA 节点

• mmap 直接访问本地页缓存

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八、从内核视角看 mmap（一句话）

mmap 的作用，是在进程页表中记录一条规则：

"当访问这段虚拟地址时，应当如何处理该访问。"

• 从文件读？

• 分配匿名页？

• 是否共享？

• 是否写时复制？

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九、常见误区澄清

❌ mmap = 分配物理内存

✅ mmap = 建立虚拟地址映射

❌ mmap 只能映射文件

✅ 匿名内存是最常见用途之一

❌ 线程栈是特殊区域

✅ 在线程实现中，它只是 mmap 出来的一块内存

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十、总结

mmap 是 Linux 虚拟内存机制的核心接口。

它不仅支撑了文件映射、高性能 I/O，也支撑了线程栈、动态内存分配和共享内存。