mmap 是 Linux 提供的内存映射系统调用 ，核心作用是：将「内核中的一段内存 / 磁盘文件」，直接映射到当前进程的虚拟地址空间；进程访问这段虚拟地址，等价于直接访问映射的内核内存 / 磁盘文件，全程无内核缓冲区中转、无数据拷贝，是高性能内存操作 / 进程通信的基石。
mmap 函数原型
mmap 两大核心参数
prot= 访问权限，flags= 映射属性，这两个参数是 mmap 的灵魂，不同组合直接决定 mmap 是「文件映射」「匿名内存分配」「共享内存」还是「私有内存」，所有用法都是这两个参数的组合：
prot 访问权限（4 种基础值，可位或组合）
PROT_READ：映射区可读PROT_WRITE：映射区可写PROT_EXEC：映射区可执行（存储代码时用）PROT_NONE：映射区无任何权限（占位用）
规则：权限不能超过文件的打开权限（比如文件只读，prot 不能设 PROT_WRITE），否则 mmap 失败。
flags 映射属性
这是 mmap 最核心的参数，决定映射的「内存归属、共享特性、写时行为」，分为两大核心分类：
- 共享属性（二选一，必选）
MAP_SHARED：共享映射 → 进程对映射区的修改，会同步到内核 / 磁盘文件 / 其他进程，是「内存共享」的核心标志；MAP_PRIVATE：私有映射 → 进程对映射区的修改，仅当前进程可见，内核会触发「写时复制 (COW)」创建副本，不影响原数据；
- 内存来源（可选，组合使用）
MAP_ANONYMOUS/MAP_ANON：匿名映射 → 无磁盘文件作为映射源，内存来源是「内核物理内存」，fd 必须传 - 1，offset 传 0；MAP_FIXED：强制映射到指定的 addr 地址，不推荐（容易地址冲突）；
共享看 MAP_SHARED/MAP_PRIVATE，内存来源看 MAP_ANONYMOUS
mmap 核心特性
- 映射地址天然对齐 ：mmap 返回的虚拟地址，必然是 4KB 物理页面对齐（Linux 最小内存页单位）；
- 按需分配物理内存 ：mmap 调用时仅分配虚拟地址空间，不分配物理内存；进程第一次访问映射地址时触发「缺页异常」，内核才分配物理页并建立映射；
- 无数据拷贝：所有映射访问都是「虚拟地址→物理地址」直接访问，无内核缓冲区中转，无数据拷贝，这是 mmap 高性能的核心原因；
- 映射大小按页对齐：即使 length 传 1，内核也会按 4KB 向上对齐分配虚拟地址，物理内存也是按需按页分配；
- munmap 是必须的 ：进程退出时内核会自动解除映射，但手动调用
munmap能及时释放虚拟地址空间和物理内存，避免内存泄漏。
mmap 内核底层实现
步骤 1：用户态发起 mmap 系统调用，内核接收参数
进程调用mmap(NULL, len, prot, flags, fd, 0)，触发软中断进入内核态，内核的sys_mmap()函数接收所有参数，并做合法性校验：
- 校验 prot 权限是否合法、是否与文件 fd 的打开权限匹配；
- 校验 flags 参数组合是否合法（比如 MAP_ANONYMOUS 时 fd 必须是 - 1）；
- 校验 length 是否大于 0；
步骤 2：内核分配「虚拟地址空间」
内核在进程的mm_struct中，查找一段连续的、未被使用的虚拟地址空间，大小为「按 4KB 向上对齐后的 length」，这段地址是进程私有的，不会与其他 VMA 重叠。
步骤 3：内核创建「虚拟内存区域 (VMA)」
内核为本次映射创建一个新的 struct vm_area_struct（VMA 结构体），并填充关键属性：
- 虚拟地址起始 / 结束地址、映射长度；
- 访问权限：prot 对应的读写执行权限；
- 映射属性：
VM_SHARED/VM_PRIVATE（对应 flags）、VM_ANON（匿名映射）/VM_MAPPED（文件映射）； - 关联资源：文件映射关联对应的文件 inode；匿名映射关联内核的物理内存池；最后将该 VMA 加入进程的 VMA 链表中，此时仅分配了虚拟地址，无任何物理内存分配。
步骤 4：内核返回映射的虚拟地址到用户态
内核将分配的虚拟地址起始值，通过系统调用返回给用户态进程，进程拿到该地址后，即可开始访问。
此时进程的虚拟地址空间已经分配完成，但物理内存还是空的，页表中也没有对应的映射关系！
步骤 5：进程第一次访问映射地址，触发「缺页异常」
进程执行 *(char*)addr = 10; 访问映射地址，CPU 的 MMU（内存管理单元）在进程的多级页表 (PGD/PUD/PMD/PTE) 中查找该虚拟地址，发现无对应的物理页映射 ，触发 缺页异常 (page fault)，CPU 暂停进程执行，进入内核态处理异常。
步骤 6：内核处理缺页异常，分配物理内存 + 建立页表映射
这是 mmap 的核心步骤，内核的do_page_fault()函数处理异常，完成「物理内存分配 + 页表映射」：
- 内核根据虚拟地址找到对应的 VMA 结构体，确认该地址是合法的映射地址；
- 内核从物理内存伙伴系统中，分配一块空闲的 4KB 物理页帧；
- 内核修改进程的多级页表：将当前虚拟地址，通过页表项 (PTE) 映射到刚分配的物理页帧的物理地址；
- 如果是文件映射 ：内核还会从磁盘读取对应的数据到物理页中（仅一次）；如果是匿名映射：物理页初始化为全 0；
- 页表映射建立完成后，内核返回用户态，恢复进程执行。
步骤 7：进程正常访问映射内存，无内核介入
进程再次执行访问指令，MMU 通过页表直接找到物理地址，直接读写物理内存，无任何内核介入，无数据拷贝，效率和访问进程私有内存完全一致;
步骤 8：munmap 的内核流程
调用munmap(addr, len)时，内核执行：
- 根据虚拟地址找到对应的 VMA 结构体；
- 删除该 VMA，释放对应的虚拟地址空间；
- 清空进程页表中对应的映射关系；
- 将物理页帧归还给内核（匿名映射）/ 标记为脏页等待刷盘（文件映射）；
- 物理页会被加入内核 LRU 链表 ，内存紧张时被 kswapd 回收，也可以用
mlock()锁定物理页避免回收。
核心场景：
- 匿名私有 → malloc 大内存；
- 匿名共享 → 父子进程轻量共享；
- 文件私有 → 高性能读文件；
- 文件共享 → Posix 共享内存（/dev/shm），任意进程共享；