操作系统:图文详解 内存映射


前言

  • 内存映射Linux操作系统中非常重要,因为其涉及到高效的跨进程通信 & 文件操作
  • 今天,我将详细讲解操作系统中核心概念:内存映射

目录

示意图

1. 定义

关联 进程中的1个虚拟内存区域 & 1个磁盘上的对象,使得二者存在映射关系

  1. 上述的映射过程 = 初始化该虚拟内存区域
  2. 虚拟内存区域被初始化后,就会在交换空间中换你来还去
  3. 被映射的对象称为:共享对象(普通文件 / 匿名文件)

2. 作用

若存在上述映射关系,则具备以下特征

  • 在多个进程的虚拟内存区域 已和同1个共享对象 建立映射关系的前提下
  • 若 其中1个进程对该虚拟区域进行写操作
  • 那么,对于 也把该共享对象映射到其自身虚拟内存区域的进程 也是可见的

示意图如下

  1. 假设进程1、2的虚拟内存区域同时映射到同1个共享对象;
  2. 当进程1对其虚拟内存区域进行写操作时,也会映射到进程2中的虚拟内存区域
示意图

3. 实现过程

  • 内存映射的实现过程主要是通过Linux系统下的系统调用函数:mmap()
  • 该函数的作用 = 创建虚拟内存区域 + 与共享对象建立映射关系
  • 其函数原型、具体使用 & 内部流程 如下
/**
  * 函数原型
  */
void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

/**
  * 具体使用(用户进程调用mmap())
  * 下述代码即常见了一片大小 = MAP_SIZE的接收缓存区 & 关联到共享对象中(即建立映射)
  */
  mmap(NULL, MAP_SIZE, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);

/**
  * 内部原理
  * 步骤1:创建虚拟内存区域
  * 步骤2:实现地址映射关系,即:进程的虚拟地址空间 ->> 共享对象
  * 注: 
  *    a. 此时,该虚拟地址并没有任何数据关联到文件中,仅仅只是建立映射关系
  *    b. 当其中1个进程对虚拟内存写入数据时,则真正实现了数据的可见
  */

4. 特点

  • 提高数据的读、写 & 传输的时间性能
    1. 减少了数据拷贝次数
    2. 用户空间 & 内核空间的高效交互(通过映射的区域 直接交互)
    3. 用内存读写 代替 I/O读写
  • 提高内存利用率:通过虚拟内存 & 共享对象

5. 应用场景

Linux系统下,根据内存映射的本质原理 & 特点,其应用场景在于:

  1. 实现内存共享:如 跨进程通信
  2. 提高数据读 / 写效率 :如 文件读 / 写操作

6. 实例讲解

下面,我将详细讲解 内存映射应用在跨进程通信 & 文件操作的实例

6.1 文件读 / 写操作

  • 传统的Linux系统文件操作流程如下
示意图
  • 使用了内存映射的 文件读 / 写 操作
示意图

从上面可看出:使用了内存映射的文件读/写 操作方式效率更加高、性能最好!

6.2 跨进程通信

  • 传统的跨进程通信
示意图
  • 使用了内存映射的 跨进程通信
示意图

从上面可看出:使用了内存映射的跨进程通信 效率最高、性能最好!


7. 总结


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