内存映射文件

内存映射文件（memory-mapped files）是操作系统提供的一种特殊功能：把一个磁盘文件”映射”到进程的虚拟地址空间里，之后像访问内存数组一样访问它，不再需要 read / write。

它是请求分页机制的一个直接副产品——既然页可以从外存按需调入，那么”外存”是对换区还是普通文件，机制上并无区别。

机制

传统文件访问 vs 内存映射

传统方式每读一次文件，数据要走两步：

系统调用 read() 陷入内核，把数据从磁盘读到内核缓冲区
再从内核缓冲区拷贝到用户提供的缓冲区

每次读写都要经历一次系统调用和一次内核到用户的数据拷贝。

内存映射方式则是：

进程调用 mmap()，请求把某个文件映射到自己的虚拟地址空间
操作系统只是建立映射关系（在页表里做记号），并不真的读取任何数据
进程直接用指针访问那段地址
访问到某页时若它还不在内存，触发缺页中断，操作系统按普通的缺页流程把该页从文件中调入

关键在于第 2 步和第 4 步：建立映射时不搬数据，真正访问哪一页才调哪一页。 这就是”按需”的含义。

三个好处

① 省掉了一次数据拷贝。 数据从磁盘调入页框后，进程直接访问该页框，不需要再拷贝到用户缓冲区。这就是常说的”零拷贝”的一种形态。

② 省掉了大量系统调用。 建立映射只需一次 mmap，之后的所有访问都是普通的内存访问指令，不再陷入内核（除非缺页）。传统方式则是每次读写都要一次系统调用。

③ 天然支持共享。 多个进程映射同一个文件时，操作系统可以让它们的页表指向同一批物理页框。于是一个进程的修改，另一个进程立刻就能看到——这就成了一种进程通信手段，而且是共享存储类中效率最高的一种。

写回时机

进程对映射区的修改不会立即写回磁盘。写回发生在这些时刻：

该页被置换出去时（前提是修改位 M = 1）
进程解除映射（munmap）或退出时
进程主动要求同步（如 msync）

也就是说，修改是先落在内存页框上的，磁盘上的文件在一段时间内是”过时”的。这既是它高效的原因，也是它的风险——进程异常终止可能丢失尚未写回的修改。

与页缓存的关系

现代操作系统把内存中缓存的文件数据统一称为页缓存（page cache）。内存映射文件的页，本质上就是页缓存中的页被映射进了某个进程的地址空间。

由此可以把内存中的页分成两类，这个分类在3.2.2 讲调入来源时已经出现过：

	文件映射页（file-backed）	匿名页（anonymous）
内容来自	某个文件	无对应文件（堆、栈）
典型	可执行代码、`mmap` 的文件、页缓存	`malloc` 的空间、进程栈
回收时	干净页直接丢弃，脏页写回原文件	只能换出到对换区（swap）
是否占用 swap	否	是

这个分类解释了一个常见的困惑：为什么系统显示”已用内存”很高、“已缓存”特别大，但系统运行毫无压力？

因为文件映射页（页缓存）是随时可回收的——干净页直接丢掉即可，连写回都不用。它们占着内存只是”顺便缓存一下”，一旦有真实需求，立刻可以让出来。

这正是 Linux 那句话的含义：空闲的内存是被浪费的内存——与其空着，不如拿来缓存文件，反正随时能还。

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