linux mmap文件内存映射机制
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Linux 的 mmap 文件内存映射机制
风云 发表于 2010 年 04 月 10 日 14:18 阅读(2) 评论(0) 分类： 技术园地
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文件 空间 系统调用 地
址
在 讲 述 文 件 映 射 的 概 念 时 ,
不可避免的要牵涉到虚存(SVR 4 的 VM). 实际上, 文件映射是虚存的中心概念, 文
件映射一方面给用户提供了一组措施, 好似用户将文件映射到自己地址空间的某
个部分, 使用简单的内存访问指令读写文件；另一方面, 它也可以用于内核的基本
组织模式, 在这种模式种, 内核将整个地址空间视为诸如文件之类的一组不同对象
的映射. 中的传统文件访问方式是, 首先用 open 系统调用打开文件, 然后使用
read, write 以及 lseek 等调用进行顺序或者随即的 I/O. 这种方式是非常低效的,
每一次 I/O 操作都需要一次系统调用. 另外, 如果若干个进程访问同一个文件, 每
个进程都要在自己的地址空间维护一个副本, 浪费了内存空间. 而如果能够通过一
定的机制将页面映射到进程的地址空间中, 也就是说首先通过简单的产生某些内
存管理数据结构完成映射的创建. 当进程访问页面时产生一个缺页中断, 内核将页
面读入内存并且更新页表指向该页面. 而且这种方式非常方便于同一副本的共享.
VM 是面向对象的方法设计的, 这里的对象是指内存对象: 内存对象是一个软
件抽象的概念, 它描述内存区与后备存储之间的映射. 系统可以使用多种类型的后
备存储, 比如交换空 间, 本地或者远程文件以及帧缓存等等. VM 系统对它们统一
处理, 采用同一操作集操作, 比如读取页面或者回写页面等. 每种不同的后备存储
都可以用不同的方法实现这些操作. 这样, 系统定义了一套统一的接口, 每种后备
存储给出自己的实现方法. 这样, 进程的地址空间就被视为一组映射到不同数据对
象上的的映射组成. 所有的有效地址就是那些映射到数据对象上的地址. 这些对象
为映射它的页面提供了持久性的后备存储. 映射使得用户可以直接寻址这些对象.
值得提出的是, VM 体系结构独立于 Unix 系统, 所有的 Unix 系统语义, 如正
文, 数据及堆栈区都可以建构在基本 VM 系统之上. 同时, VM 体系结构也是独立
于存储管理的, 存储管理是由操作系统实施的, 如: 究竟采取什么样的对换和请求
调页算法, 究竟是采取分段还是分页机制进行存储管理, 究竟是如何将虚拟地址转
换成为物理地址等等(Linux 中是一种叫 Three Level Page Table 的机制), 这些都
与内存对象的概念无关.
下面介绍 Linux 中 VM 的实现.
一个进程应该包括一个 mm_struct(memory manage struct), 该结构是进程
虚拟地址空间的抽象描述, 里面包括了进程虚拟空间的一些管理信息: start_code,
end_code, start_data, end_data, start_brk, end_brk 等等信息. 另外, 也有一个指
向进程虚存区表(vm_area_struct: virtual memory area)的指针, 该链是按照虚拟
地址的增长顺序排列的. 在 Linux 进程的地址空间被分作许多区(vma), 每个区
(vma)都对应虚拟地址空间上一段连续的区域, vma 是可以被共享和保护的独立
实体, 这里的 vma 就是前面提到的内存对象. 下面是 vm_area_struct 的结构, 其
中, 前半部分是公共的, 与类型无关的一些数据成员, 如: 指向 mm_struct 的指针,
地址范围等等, 后半部分则是与类型相关的成员, 其中最重要的是一个指向
vm_operation_struct 向量表的指针 vm_ops, vm_pos 向量表是一组虚函数, 定义
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