【深入浅出Linux】关于mmap的解析

前言

看这篇文章之前需要知道一个概念

虚拟内存系统通过将虚拟内存分割为称作虚拟页(Virtual Page,VP)大小固定的块,一般情况下,每个虚拟页的大小默认是4096字节。同样的,物理内存也被分割为物理页(Physical Page,PP),也为4096字节。

一、mmap基本原理和分类

在LINUX中我们可以使用mmap用来在进程虚拟内存地址空间中分配地址空间,创建和物理内存的映射关系。

映射关系

映射关系可以分为两种
1、文件映射
磁盘文件映射进程的虚拟地址空间,使用文件内容初始化物理内存。
2、匿名映射
初始化全为0的内存空间。

而对于映射关系是否共享又分为
1、私有映射(MAP_PRIVATE)
多进程间数据共享,修改不反应到磁盘实际文件,是一个copy-on-write(写时复制)的映射方式。
2、共享映射(MAP_SHARED)
多进程间数据共享,修改反应到磁盘实际文件中。

因此总结起来有4种组合
1、私有文件映射
多个进程使用同样的物理内存页进行初始化,但是各个进程对内存文件的修改不会共享,也不会反应到物理文件中

2、私有匿名映射
mmap会创建一个新的映射,各个进程不共享,这种使用主要用于分配内存(malloc分配大内存会调用mmap)。
例如开辟新进程时,会为每个进程分配虚拟的地址空间,这些虚拟地址映射的物理内存空间各个进程间读的时候共享,写的时候会copy-on-write。

3、共享文件映射
多个进程通过虚拟内存技术共享同样的物理内存空间,对内存文件 的修改会反应到实际物理文件中,他也是进程间通信(IPC)的一种机制。

4、共享匿名映射
这种机制在进行fork的时候不会采用写时复制,父子进程完全共享同样的物理内存页,这也就实现了父子进程通信(IPC).

这里值得注意的是,mmap只是在虚拟内存分配了地址空间,只有在第一次访问虚拟内存的时候才分配物理内存。
在mmap之后,并没有在将文件内容加载到物理页上,只上在虚拟内存中分配了地址空间。当进程在访问这段地址时,通过查找页表,发现虚拟内存对应的页没有在物理内存中缓存,则产生"缺页",由内核的缺页异常处理程序处理,将文件对应内容,以页为单位(4096)加载到物理内存,注意是只加载缺页,但也会受操作系统一些调度策略影响,加载的比所需的多。

二.mmap在write和read时会发生什么

1.write

  • 1.进程(用户态)将需要写入的数据直接copy到对应的mmap地址(内存copy)
  • 2.若mmap地址未对应物理内存,则产生缺页异常,由内核处理
  • 3.若已对应,则直接copy到对应的物理内存
  • 4.由操作系统调用,将脏页回写到磁盘(通常是异步的)

因为物理内存是有限的,mmap在写入数据超过物理内存时,操作系统会进行页置换,根据淘汰算法,将需要淘汰的页置换成所需的新页,所以mmap对应的内存是可以被淘汰的(若内存页是"脏"的,则操作系统会先将数据回写磁盘再淘汰)。这样,就算mmap的数据远大于物理内存,操作系统也能很好地处理,不会产生功能上的问题。

2.read

读的过程对比

从图中可以看出,mmap要比普通的read系统调用少了一次copy的过程。因为read调用,进程是无法直接访问kernel space的,所以在read系统调用返回前,内核需要将数据从内核复制到进程指定的buffer。但mmap之后,进程可以直接访问mmap的数据(page cache)。

三.性能分析

测试结果来源于:深入剖析mmap-从三个关键问题说起

1.读性能分析
场景:对2G的文件进行顺序写入

每次写入大小 mmap 耗时 write 耗时
100 bytes 2.84s 22.86s
512 bytes 2.51s 5.43s
1024 bytes 2.48s 3.48s
2048 bytes 2.47s 2.34s
4096 bytes 2.48s 1.74s
8192 bytes 2.45s 1.67s
10240 bytes 2.49s 1.65s

可以看到mmap在100byte写入时已经基本达到最大写入性能,而write调用需要在4096(也就是一个page size)时,才能达到最大写入性能。
从测试结果可以看出,在写小数据时,mmap会比write调用快,但在写大数据时,反而没那么快。

2.写性能分析
场景:对2G的文件进行顺序读取(为了避免磁盘对测试的影响,2G文件都缓存在pagecache中)

每次读取大小 mmap 耗时 read 耗时
100 bytes 86.4ms 8100.9ms
512 bytes 16.14ms 1851.45ms
1024 bytes 8.11ms 992.71ms
2048 bytes 4.09ms 636.85ms
4096 bytes 2.07ms 558.10ms
8192 bytes 1.06ms 444.83ms
10240 bytes 867.88µs 475.28ms

由上可以看出,在read上面,mmap的性能还是非常好的。

四.总结

优点如下:

1、对文件的读取操作跨过了页缓存,减少了数据的拷贝次数,用内存读写取代I/O读写,提高了文件读取效率。

2、实现了用户空间和内核空间的高效交互方式。两空间的各自修改操作可以直接反映在映射的区域内,从而被对方空间及时捕捉。

3、提供进程间共享内存及相互通信的方式。不管是父子进程还是无亲缘关系的进程,都可以将自身用户空间映射到同一个文件或匿名映射到同一片区域。从而通过各自对映射区域的改动,达到进程间通信和进程间共享的目的。同时,如果进程A和进程B都映射了区域C,当A第一次读取C时通过缺页从磁盘复制文件页到内存中;但当B再读C的相同页面时,虽然也会产生缺页异常,但是不再需要从磁盘中复制文件过来,而可直接使用已经保存在内存中的文件数据。

4、可用于实现高效的大规模数据传输。内存空间不足,是制约大数据操作的一个方面,解决方案往往是借助硬盘空间协助操作,补充内存的不足。但是进一步会造成大量的文件I/O操作,极大影响效率。这个问题可以通过mmap映射很好的解决。换句话说,但凡是需要用磁盘空间代替内存的时候,mmap都可以发挥其功效。

缺点如下:

1.文件如果很小,是小于4096字节的,比如10字节,由于内存的最小粒度是页,而进程虚拟地址空间和内存的映射也是以页为单位。虽然被映射的文件只有10字节,但是对应到进程虚拟地址区域的大小需要满足整页大小,因此mmap函数执行后,实际映射到虚拟内存区域的是4096个字节,11~4096的字节部分用零填充。因此如果连续mmap小文件,会浪费内存空间。

  1. 对变长文件不适合,文件无法完成拓展,因为mmap到内存的时候,你所能够操作的范围就确定了。

3.如果更新文件的操作很多,会触发大量的脏页回写及由此引发的随机IO上。所以在随机写很多的情况下,mmap方式在效率上不一定会比带缓冲区的一般写快。