8张图讲清楚mmap实现原理

发布网友发布时间：2024-10-24 13:22

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热心网友时间：2024-10-27 04:26

在研究Linux内核和系统编程时，mmap内存映射是高性能编程的关键点。本文通过一系列图片深入解析mmap的实现原理。

1. 虚拟地址映射物理地址

理解mmap的基础在于理解虚拟地址如何映射到物理地址。64位CPU使用4级页表，其中虚拟地址由48位组成，分为用户空间和内核空间部分，总共256TB。地址结构由pgd、pud、pmd和ptl表的偏移量精确控制，如pgd表偏移为9位，物理页偏移为12位。

1.1 映射过程

虚拟地址通过逐级查找pgd、pud、pmd和ptl表来定位物理地址，涉及的表项数量和索引计算简单明了。每个进程的mm_struct结构包含了这些表的首地址，保证了地址空间的隔离性。

2. mmap实现原理

mmap函数通过创建VMA（虚拟内存区域）实现了内存映射，包括文件映射和匿名映射两种方式。VMA是描述进程内存区域的数据结构，与内核的struct vm_area_struct关联，包含访问权限和映射类型信息。

2.1 缺页中断与pte创建

当访问未映射的内存时，系统会触发缺页中断，此时内核动态创建映射表，并在pte（页表项）中指向物理内存。匿名映射直接从物理内存申请页面，而文件映射则将文件内容复制到物理内存并对应到pte中。

3. 文件映射与匿名映射

文件映射将文件内容映射到进程内存，需要文件描述符（fd）、偏移量和长度；匿名映射则直接从物理内存获取页面，简化了映射过程。