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Linux内存管理-详解mmap原理

Linux内存管理-详解mmap原理

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1. 一句话概括mmap

mmap的作用,在应用这一层,是让你把文件的某一段,当作内存一样来访问。将文件映射到物理内存,将进程虚拟空间映射到那块内存。

这样,进程不仅能像访问内存一样读写文件,多个进程映射同一文件,还能保证虚拟空间映射到同一块物理内存,达到内存共享的作用。

2. 虚拟内存?虚拟空间?

其实是一个概念,前一篇对于这个词没有确切的定义,现在定义一下:

虚拟空间就是进程看到的所有地址组成的空间,虚拟空间是某个进程对分配给它的所有物理地址(已经分配的和将会分配的)的重新映射。

而虚拟内存,为啥叫虚拟内存,是因为它就不是真正的内存,是假的,因为它是由地址组成的空间,所以在这里,使用虚拟空间这个词更加确切和易懂。(不过虚拟内存这个词也不算错)

2.1 虚拟空间原理

2.1.1物理内存

首先,物理地址实际上也不是连续的,通常是包含作为主存的DRAM和IO寄存器


以前的CPU(如X86)是为IO划分单独的地址空间,所以不能用直接访问内存的方式(如指针)IO,只能用专门的方法(in/read/out/write)诸如此类。

现在的CPU利用PCI总线将IO寄存器映射到物理内存,所以出现了基于内存访问的IO。

还有一点补充的,就如同进程空间有一块内核空间一样,物理内存也会有极小一部分是不能访问的,为内核所用。

2.1.2三个总线

这里再补充下三个总线的知识,即:地址总线、数据总线、控制总线

  • 地址总线,用来传输地址

  • 数据总线,用来传输数据

  • 控制总线,用来传输命令

比如CPU通过控制总线发送读取命令,同时用地址总线发送要读取的数据虚地址,经过MMU后到内存

内存通过数据总线将数据传输给CPU。

虚拟地址的空间和指令集的地址长度有关,不一定和物理地址长度一致,比如现在的64位处理器,从VA角度看来,可以访问64位的地址,但地址总线长度只有48位,所以你可以访问一个位于2^52这个位置的地址。

2.1.3虚拟内存地址转换(虚地址转实地址)

上面已经明确了虚拟内存是虚拟空间,即地址的集合这一概念。基于此,来说说原理。

如果还记得操作系统课程里面提到的虚地址,那么这个虚地址就是虚拟空间的地址了,虚地址通过转换得到实地址,转换方式课程内也讲得很清楚,虚地址头部包含了页号(段地址和段大小,看存储模式:页存储、段存储,段页式),剩下部分是偏移量,经过MMU转换成实地址。


存储方式


如图则是页式存储动态地址变换的方式

虚拟地址头部为页号通过查询页表得到物理页号,假设一页时1K,那么页号*偏移量就得到物理地址


如图所示,段式存储

虚拟地址头部为段号,段表中找到段基地址加上偏移量得到实地址


段页式结合两者,如图所示。

3. mmap映射

至此,如果对虚拟空间已经了解了,那么接下来,作为coder,应该自动把虚拟空间无视掉,因为Linux的目的也是要让更多额进程能享用内存,又不让进程做麻烦的事情,是将虚拟空间和MMU都透明化,让进程(和coder)只需要管对内存怎样使用。

所以现在开始不再强调虚拟空间了。

mmap就是将文件映射到内存上,进程直接对内存进行读写,然后就会反映到磁盘上。


  • 虚拟空间获取到一段连续的地址

  • 在没有读写的时候,这个地址指向不存在的地方(所以,上图中起始地址和终止地址是还没分配给 进程的)

  • 好了,根据偏移量,进程要读文件数据了,数据占在两个页当中(物理内存着色部分)

  • 这时,进程开始使用内存了,所以OS给这两个页分配了内存(即缺页异常)(其余部分还是没有分配)

  • 然后刚分配的页内是空的,所以再将相同偏移量的文件数据拷贝到物理内存对应页上。


链接:https://zhuanlan.zhihu.com/p/465336136

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