一直都對記憶體對映檔案這個概念很模糊，不知道它和虛擬記憶體有什麼區別，而且對映這個詞也很讓人迷茫，今天終於搞清楚了。。。下面，我先解釋一下我對對映這個詞的理解，再區分一下幾個容易混淆的概念，之後，什麼是記憶體對映就很明朗了。

原理

首先，“對映”這個詞，就和數學課上說的“一一對映”是一個意思，就是建立一種一一對應關係，在這裡主要是隻 硬碟上檔案 的位置與程序 邏輯地址空間 中一塊大小相同的區域之間的一一對應，如圖1中過程1所示。這種對應關係純屬是邏輯上的概念，物理上是不存在的，原因是程序的邏輯地址空間本身就是不存在的。在記憶體對映的過程中，並沒有實際的資料拷貝，檔案沒有被載入記憶體，只是邏輯上被放入了記憶體，具體到程式碼，就是建立並初始化了相關的資料結構（struct address_space），這個過程有系統呼叫mmap()實現，所以建立記憶體對映的效率很高

圖1.記憶體對映原理  

既然建立記憶體對映沒有進行實際的資料拷貝，那麼程序又怎麼能最終直接通過記憶體操作訪問到硬碟上的檔案呢？那就要看記憶體對映之後的幾個相關的過程了。

mmap()會返回一個指標ptr，它指向程序邏輯地址空間中的一個地址，這樣以後，程序無需再呼叫read或write對檔案進行讀寫，而只需要通過ptr就能夠操作檔案。但是ptr所指向的是一個邏輯地址，要操作其中的資料，必須通過MMU將邏輯地址轉換成實體地址，如圖1中過程2所示。這個過程與記憶體對映無關。

前面講過，建立記憶體對映並沒有實際拷貝資料，這時，MMU在地址對映表中是無法找到與ptr相對應的實體地址的，也就是MMU失敗，將產生一個缺頁中斷，缺頁中斷的中斷響應函式會在swap中尋找相對應的頁面，如果找不到（也就是該檔案從來沒有被讀入記憶體的情況），則會通過mmap()建立的對映關係，從硬碟上將檔案讀取到實體記憶體中，如圖1中過程3所示。這個過程與記憶體對映無關。

如果在拷貝資料時，發現物理記憶體不夠用，則會通過虛擬記憶體機制（swap）將暫時不用的物理頁面交換到硬碟上，如圖1中過程4所示。這個過程也與記憶體對映無關。

效率

從程式碼層面上看，從硬碟上將檔案讀入記憶體，都要經過檔案系統進行資料拷貝，並且資料拷貝操作是由檔案系統和硬體驅動實現的，理論上來說，拷貝資料的效率是一樣的。但是通過記憶體對映的方法訪問硬碟上的檔案，效率要比read和write系統呼叫高，這是為什麼呢？原因是read()是系統呼叫，其中進行了資料拷貝，它首先將檔案內容從硬碟拷貝到核心空間的一個緩衝區，如圖2中過程1，然後再將這些資料拷貝到使用者空間，如圖2中過程2，在這個過程中，實際上完成了 兩次資料拷貝 ；而mmap()也是系統呼叫，如前所述，mmap()中沒有進行資料拷貝，真正的資料拷貝是在缺頁中斷處理時進行的，由於mmap()將檔案直接對映到使用者空間，所以中斷處理函式根據這個對映關係，直接將檔案從硬碟拷貝到使用者空間，只進行了 一次資料拷貝 。因此，記憶體對映的效率要比read/write效率高。

圖2.read系統呼叫原理

下面這個程式，通過read和mmap兩種方法分別對硬碟上一個名為“mmap_test”的檔案進行操作，檔案中存有10000個整數，程式兩次使用不同的方法將它們讀出，加1，再寫回硬碟。通過對比可以看出，read消耗的時間將近是mmap的兩到三倍。 

#include<unistd.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<sys/time.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/mman.h>
 
#define MAX 10000
 
int main()
{
int i=0;
int count=0, fd=0;
struct timeval tv1, tv2;
int *array = (int *)malloc( sizeof(int)*MAX );
 
/*read*/
 
gettimeofday( &tv1, NULL );
fd = open( "mmap_test", O_RDWR );
if( sizeof(int)*MAX != read( fd, (void *)array, sizeof(int)*MAX ) )
{
printf( "Reading data failed.../n" );
return -1;
}
for( i=0; i<MAX; ++i )
 
++array[ i ];
if( sizeof(int)*MAX != write( fd, (void *)array, sizeof(int)*MAX ) )
{
printf( "Writing data failed.../n" );
return -1;
}
free( array );
close( fd );
gettimeofday( &tv2, NULL );
printf( "Time of read/write: %dms/n", tv2.tv_usec-tv1.tv_usec );
 
/*mmap*/
 
gettimeofday( &tv1, NULL );
fd = open( "mmap_test", O_RDWR );
array = mmap( NULL, sizeof(int)*MAX, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0 );
for( i=0; i<MAX; ++i )
 
++array[ i ];
munmap( array, sizeof(int)*MAX );
msync( array, sizeof(int)*MAX, MS_SYNC );
free( array );
close( fd );
gettimeofday( &tv2, NULL );
printf( "Time of mmap: %dms/n", tv2.tv_usec-tv1.tv_usec );
 
return 0;
}

輸出結果：

Time of read/write: 154ms

Time of mmap: 68ms