内存映射文件与 mmap

内存映射文件把文件的一段内容映射到进程的虚拟地址空间。映射建立后，程序可以像访问普通内存一样读写这段地址；文件数据的调入、写回由操作系统结合缺页机制完成。

1 2	int fd = open("data.bin", O_RDWR); void *p = mmap(NULL, length, PROT_READ \| PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);

这里的 p 是一个虚拟地址。程序访问 p[i] 时，CPU 仍然发出虚拟地址；MMU 查页表；若对应文件页尚未在主存中，就触发缺页故障，由 OS 从文件读入对应页面。

mmap

mmap 的关键是建立映射关系：

$$
\text{进程虚拟页} \longleftrightarrow \text{文件中的某个页大小区间}
$$

一次典型访问过程：

Note

mmap 和请求分页是同一套机制的自然延伸：普通匿名页的后备存储可以是对换区，而内存映射文件页的后备存储是文件。

# 与 read/write 的区别

传统文件访问常见流程是：

1	open -> seek -> read/write -> close

read 把文件内容读到用户缓冲区，程序再访问缓冲区；write 把用户缓冲区内容写回文件。

mmap 的流程是：

1	open -> mmap -> 直接访问映射区 -> msync/munmap

mmap 的优势是 I/O 被放进虚拟存储和缺页处理流程中。程序不用反复调用 read、write 移动文件指针和搬运缓冲区。

mmap 的映射方式决定写入行为。

类型	含义	写入结果
`MAP_SHARED`	多个进程可映射同一个文件区域	修改对其他共享映射进程可见，并可写回文件
`MAP_PRIVATE`	私有映射，采用写时复制COW	写入只影响当前进程，不直接修改原文件

共享映射常用于：

私有映射常用于：

Warning

MAP_PRIVATE 也是按需调页: 当进程第一次写某个共享物理页时，才复制出私有页。

# 多进程共享

多个进程可以把同一个文件映射到各自的虚拟地址空间。它们看到的虚拟地址可以不同，但页表可以指向同一批物理页框。

当进程 A 修改共享映射中的某个页时：

因此，共享映射能实现进程间共享数据。但共享不等于自动同步访问顺序；多个进程同时读写共享区域时，仍然需要锁、信号量、互斥量等同步机制。

映射区被写入后，对应物理页会变成脏页。脏页何时回到磁盘，取决于映射类型和同步方式。

需要区分两个关系：

进程虚拟地址空间中常有“共享库的存储映射区”。动态库代码可以通过 mmap 类似机制映射进多个进程地址空间：

这也是虚拟存储透明性的一个典型例子：进程像调用普通函数一样调用库函数，背后由装载器、页表和缺页机制完成库文件到内存页的映射与调入。

mmap 的核心：