4. mmap 映射类型：文件映射与匿名映射、私有映射与共享映射的区别与使用场景

在 Android HAL 层驱动开发中，mmap 系统调用提供了四种核心映射组合，理解它们的差异是设计高效数据传输通道的前提。映射类型由两个维度决定：映射源（文件 vs 匿名）与 映射可见性（私有 vs 共享）。

4.1 映射类型二维矩阵

下表从数据来源、内存行为、进程间可见性三个维度，清晰划分四种组合：

4.2 文件映射 vs 匿名映射

4.2.1 文件映射 (File-backed Mapping)

将磁盘文件的一部分直接映射到进程虚拟地址空间。内核通过页缓存（Page Cache）管理文件内容，读写映射区域等同于读写文件，无需额外的 read()/write() 系统调用。

• 典型场景： 驱动暴露 /dev/xxx 设备文件，HAL 层通过 mmap 映射该文件描述符实现数据交换。
• 优势： 数据可持久化，支持进程间共享（配合 MAP_SHARED），内核自动处理脏页回写。
• 注意事项： 文件大小必须固定，映射长度不能超过文件实际大小；驱动中需实现 mmap 文件操作函数。

4.2.2 匿名映射 (Anonymous Mapping)

不关联任何文件，由内核分配一块全零初始化的物理内存。进程退出后内存自动释放，无持久化能力。

• 典型场景： 进程私有堆内存（malloc 底层实现）、线程栈扩展、以及不需要文件后援的进程间共享内存。
• 优势： 创建速度快，无文件系统开销，适合临时数据缓冲区。
• HAL 层应用： 在 Gralloc 分配图形缓冲区时，常使用匿名共享映射实现 SurfaceFlinger 与应用进程之间的零拷贝传递。

#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>

// 创建 4MB 匿名共享内存
size_t size = 4 * 1024 * 1024;
void *addr = mmap(NULL, size,
                  PROT_READ | PROT_WRITE,
                  MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS,
                  -1, 0);
if (addr == MAP_FAILED) {
    // 错误处理
}
// fork 后子进程可直接访问 addr，实现零拷贝通信

4.3 私有映射 vs 共享映射

4.3.1 私有映射 (Private Mapping)

采用 写时复制 (Copy-on-Write, CoW) 机制。多个进程映射同一文件时，最初共享同一物理页；当某个进程尝试写入时，内核会复制该页到新物理页，修改仅对当前进程可见。

• 内存开销： 只有写入的页面才会产生副本，未修改页面仍共享。
• 数据隔离： 修改不会传播到原文件或其他进程的映射。
• 典型场景： 动态链接库加载（如 libc.so）、进程初始化数据段、调试时避免破坏原始文件。

4.3.2 共享映射 (Shared Mapping)

所有映射同一区域的进程直接共享物理内存页。一个进程的修改立即对其他进程可见，并且（对于文件映射）内核会在适当时机将脏页写回文件。

• 同步保证： 内核保证共享映射的写操作对其他进程立即可见（无需手动刷新 TLB）。
• 文件同步： 共享文件映射的修改最终会同步到磁盘，但时间点不确定；可使用 msync() 强制同步。
• 典型场景： 驱动与 HAL 层的数据通道、进程间大数据传输、数据库共享缓存。

4.4 四种组合的完整对比

4.5 映射类型选择决策树

在 HAL 层驱动开发中，按以下决策流程选择正确的映射类型：

1. 是否需要持久化？ 是 → 文件映射；否 → 匿名映射。
2. 是否需要多进程共享？ 是 → 共享映射；否 → 私有映射。
3. 驱动数据通道： 优先选择 共享文件映射，兼顾持久化与零拷贝。
4. 图形缓冲区： 使用 共享匿名映射，避免文件系统开销。
5. 只读配置/代码： 使用 私有文件映射，利用写时复制节省内存。

4.6 映射类型与内核页表交互

下图展示了四种映射类型在内核页表中的物理页管理差异：

4.7 HAL 层实战场景映射