内存映射文件（Memory-mappedfile）是一种高效的文件访问方式，它可以将文件映射到进程的地址空间中，从而避免了频繁的IO操作，提高了文件访问的效率。本文将深入探究内存映射文件的原理和实现过程，以及其优缺点。
内存映射文件的实现过程内存映射文件的实现过程可以分为三个阶段：进程启动映射过程，并在虚拟地址空间中为映射创建虚拟映射区域、调用内核空间的系统调用函数mmap，实现文件物理地址和进程虚拟地址的一一映射关系、进程发起对这片映射空间的访问，引发缺页异常，实现文件内容到物理内存（主存）的拷贝。
在第一阶段中，进程调用mmap函数时，它在当前进程的虚拟地址空间中寻找一段空闲的连续的虚拟地址，为此虚拟区分配一个vm_area_struct结构，并对这个结构的各个域进行了初始化。接着，将新建的虚拟区结构（vm_area_struct）插入进程的虚拟地址区域链表或树中，完成了为映射创建虚拟映射区域的过程。
在第二阶段中，调用内核空间的系统调用函数mmap，实现文件物理地址和进程虚拟地址的一一映射关系。为映射分配了新的虚拟地址区域后，通过待映射的文件指针，在文件描述符表中找到对应的文件描述符，通过文件描述符，链接到内核“已打开文件集”中该文件的文件结构体（structfile），每个文件结构体维护着和这个已打开文件相关各项信息。通过该文件的文件结构体，链接到file_operations模块，调用内核函数mmap，其原型为：intmmap(struct file *filp, struct vm_area_struct*vma)，不同于用户空间库函数。内核mmap函数通过虚拟文件系统inode模块定位到文件磁盘物理地址，通过remap_pfn_range函数建立页表，即实现了文件地址和虚拟地址区域的映射关系。此时，这片虚拟地址并没有任何数据关联到主存中。
在第三阶段中，进程发起对这片映射空间的访问，引发缺页异常，实现文件内容到物理内存（主存）的拷贝。前两个阶段仅在于创建虚拟区间并完成地址映射，但是并没有将任何文件数据的拷贝至主存。真正的文件读取是当进程发起读或写操作时。进程的读或写操作访问虚拟地址空间这一段映射地址，通过查询页表，发现这一段地址并不在物理页面上。因为目前只建立了地址映射，真正的硬盘数据还没有拷贝到内存中，因此引发缺页异常。缺页异常进行一系列判断，确定无非法操作后，内核发起请求调页过程。调页过程先在交换缓存空间（swapcache）中寻找需要访问的内存页，如果没有则调用nopage函数把所缺的页从磁盘装入到主存中。之后进程即可对这片主存进行读或者写的操作，如果写操作改变了其内容，一定时间后系统会自动回写脏页面到对应磁盘地址，也即完成了写入到文件的过程。需要注意的是，修改过的脏页面并不会立即更新回文件中，而是有一段时间的延迟，可以调用msync()来强制同步，这样所写的内容就能立即保存到文件里了。
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内存映射文件的优缺点内存映射文件的优点主要有以下几个方面：首先，内存映射文件可以避免频繁的IO操作，提高了文件访问的效率；其次，多个进程可以共享同一份文件，从而减少了内存的消耗；此外，内存映射文件还可以提供对大文件的随机访问支持，从而适用于处理大型数据文件的场景。
然而，内存映射文件也存在一些缺点：首先，内存映射文件需要较大的虚拟地址空间，因此它只适用于64位系统或者32位PAE系统；其次，内存映射文件的写入操作需要一定的时间才会被同步到磁盘中，因此在需要实时同步的情况下，需要调用msync函数来强制同步；此外，内存映射文件的实现过程比较复杂，需要深入了解其原理和实现过程，才能更好地使用和优化。
内存映射文件是一种高效的文件访问方式，通过将文件映射到进程的地址空间中，避免了频繁的IO操作，提高了文件访问的效率。本文深入探究了内存映射文件的原理和实现过程，并且列举了其优缺点。通过深入了解内存映射文件的原理和实现过程，可以更好地理解其优缺点，避免其缺点的影响，从而更好地利用其优点。返回搜狐，查看更多