mmap文件映射过程
一、进程共享内存与mmap的关系
进程之间共享内存有两种方式，分别是shm和mmap
1、shm共享内存是多个进程的虚拟地址直接共享同一块物理内存区域，这种共享优点是进程间访问速度更快，但是共享的内存大小有限
2、mmap共享内存是多个进程的虚拟地址空间共享磁盘的一段内存，有点是共享的内存可以很大，但是进程的访问速度较慢
二、mmap共享内存
mmap是一种内存映射的方法，即将一个文件或其他对象映射到进程的地址空间，实现文件磁盘地址和进程虚拟地址空间中的一段虚拟地址的一一映射关系。
实现这样的映射之后，进程就可以采用指针的方式读写操作这一段内存，而系统会自动回写脏页面到对应的文件磁盘上，即完成了对文件的操作而不必调用read、write等函数调用。
相反，内核空间对这段区域的修改也直接反映到用户空间，从而实现不同进程之间的文件共享。如下图所示：
虚拟内存区域（vm_area_struct）是进程的虚拟地址空间中的一个同质区间，即具有同样特性的连续地址范围。上图中所示的text数据段（代码段）、初始数据段、BSS数据段、堆、栈和内存映射，
都是一个独立的虚拟内存区域。由上图可以看出，进程的虚拟地址空间，由多个虚拟内存区域构成。
linux内核使用vm_area_struct结构来表示一个独立的虚拟内存区域，由于每个不同质的虚拟内存区域功能和内部机制都不同，因此一个进程使用多个vm_area_struct结构来分别表示不同类型的虚拟内存区域。各个vm_area_struct结构使用链表或者树形结构链接，方便进程快速访问。
vm_area_struct结构中包含区域起始和终止地址以及其他相关信息，同时也包含一个vm_ops指针，其内部可引出所有针对这个区域可以使用的系统调用函数。mmap函数就是要创建一个新的vm_area_struct结构，并将其与文件的物理磁盘地址相连。
三、mmap内存映射原理：
mmap内存映射的实现过程，总的来说可以分为三个阶段：
1、用户空间内调用mmap，创建一个虚拟内存区域（vm_area_struct）
2、内核态调用mmap，实现磁盘地址到进程虚拟地址的映射，并且建立页表（注意：1、内核空间的mmap和用户空间的mmap不一样。2、这里建立映射实际并不进行内存拷贝）
3、进程发起对这片映射空间的访问（先在页缓存中找），引发缺页异常，实现文件内容到物理内存的拷贝
四、文件读写的基本流程
读文件
1、进程调用库函数向内核发起读文件请求；
2、内核通过检查进程的文件描述符定位到虚拟文件系统的已打开文件列表表项；
3、调用该文件可用的系统调用函数read()
3、read()函数通过文件表项链接到目录项模块，根据传入的文件路径，在目录项模块中检索，找到该文件的inode；
4、在inode中，通过文件内容偏移量计算出要读取的页；
5、通过inode找到文件对应的address_space；
6、在address_space中访问该文件的页缓存树，查找对应的页缓存结点：
（1）如果页缓存命中，那么直接返回文件内容；
（2）如果页缓存缺失，那么产生一个页缺失异常，创建一个页缓存页，同时通过inode找到文件该页的磁盘地址，读取相应的页填充该缓存页；重新进行第6步查找页缓存；
7、文件内容读取成功。
写文件
前5步和读文件一致，在address_space中查询对应页的页缓存是否存在：
6、如果页缓存命中，直接把文件内容修改更新在页缓存的页中。写文件就结束了。这时候文件修改位于页缓存，并没有写回到磁盘文件中去。
7、如果页缓存缺失，那么产生一个页缺失异常，创建一个页缓存页，同时通过inode找到文件该页的磁盘地址，读取相应的页填充该缓存页。此时缓存页命中，进行第6步。
8、一个页缓存中的页如果被修改，那么会被标记成脏页。脏页需要写回到磁盘中的文件块。有两种方式可以把脏页写回磁盘：
（1）手动调用sync()或者fsync()系统调用把脏页写回
（2）pdflush进程会定时把脏页写回到磁盘
同时注意，脏页不能被置换出内存，如果脏页正在被写回，那么会被设置写回标记，这时候该页就被上锁，其他写请求被阻塞直到锁释放。
五、mmap和常规文件操作的区别：
函数的调用过程：
1、进程发起读文件请求。
2、内核通过查找进程文件符表，定位到内核已打开文件集上的文件信息，从而找到此文件的inode。
3、inode在address_space上查找要请求的文件页是否已经缓存在页缓存中。如果存在，则直接返回这片文件页的内容。
4、如果不存在，则通过inode定位到文件磁盘地址，将数据从磁盘复制到页缓存。之后再次发起读页面过程，进而将页缓存中的数据发给用户进程。
总结来说，常规文件操作为了提高读写效率和保护磁盘，使用了页缓存机制。这样造成读文件时需要先将文件页从磁盘拷贝到页缓存中，由于页缓存处在内核空间，不能被用户进程直接寻址，
所以还需要将页缓存中数据页再次拷贝到内存对应的用户空间中。这样，通过了两次数据拷贝过程，才能完成进程对文件内容的获取任务。
写操作也是一样，待写入的buffer在内核空间不能直接访问，必须要先拷贝至内核空间对应的主存，再写回磁盘中（延迟写回），也是需要两次数据拷贝。
而使用mmap操作文件中，创建新的虚拟内存区域和建立文件磁盘地址和虚拟内存区域映射这两步，没有任何文件拷贝操作。而之后访问数据时发现内存中并无数据而发起的缺页异常过程，
可以通过已经建立好的映射关系，只使用一次数据拷贝，就从磁盘中将数据传入内存的用户空间中，供进程使用。
总而言之，常规文件操作需要从磁盘到页缓存再到用户主存的两次数据拷贝。而mmap操控文件，只需要从磁盘到用户主存的一次数据拷贝过程。
说白了，mmap的关键点是实现了用户空间和内核空间的数据直接交互而省去了空间不同数据不通的繁琐过程。因此mmap效率更高。
