mmap原理-内存映射文件原理-linux内核学习

1.基础概念

mmap是一种内存映射文件的方式。即将一个文件或一块设备内存（如设备寄存器）映射到进程的地址空间，实现文件磁盘地址（or设备io地址）和进程虚拟地址空间（用户空间，非内核空间,ioremap函数才是向内核空间映射）中一段虚拟地址的一一对应的关系。

进程就在读写操作这段内存时，系统会自动回写脏页面到对应的文件磁盘上（或写入到设备地址空间），就完成了对文件/设备的操作，而不需要再调用read,write等系统调用函数。

这也意味着，内核空间和进程空间映射了相同的文件磁盘地址（or设备io地址），即内核空间对这段区域的修改也直接反映到用户空间，从而可以实现不同进程间的文件共享。

2.mmap原理

mmap函数创建一个新的vm_area_struct结构，并将其与文件/设备的物理地址相连。

vm_area_struct：

linux使用vm_area_struct来表示一个独立的虚拟内存区域，一个进程可以使用多个vm_area_struct来表示不用类型的虚拟内存区域（如堆，栈，代码段，MMAP区域等）。

vm_area_struct结构中包含了区域起始地址。同时也包含了一个vm_opt指针，其内部可引出所有针对这个区域可以使用的系统调用函数。从而，进程可以通过vm_area_struct获取操作这段内存区域所需的任何信息。

进程通过vma操作内存，而vma与文件/设备的物理地址相连，系统自动回写脏页面到对应的文件磁盘上（或写入到设备地址空间），实现内存映射文件。

内存映射文件的原理：

首先创建虚拟区间并完成地址映射，此时还没有将任何文件数据拷贝至主存。当进程发起读写操作时，会访问虚拟地址空间，通过查询页表，发现这段地址不在物理页上，因为只建立了地址映射，真正的数据还没有拷贝到内存，因此引发缺页异常。缺页异常经过一系列判断，确定无非法操作后，内核发起请求调页过程。最终会调用nopage函数把所缺的页从文件在磁盘里的地址拷贝到物理内存。之后进程便可以对这片主存进行读写，如果写操作修改了内容，一定时间后系统会自动回写脏页面到对应的磁盘地址，完成了写入到文件的过程。另外，也可以调用msync()来强制同步，这样所写的内存就能立刻保存到文件中。

参考：
https://blog.youkuaiyun.com/ddddfang/article/details/88943612