3. mmap 系统调用概述：原型、映射类型与权限标志

mmap（memory map）是 Linux 内核提供的、用于在进程虚拟地址空间与文件或匿名物理内存之间建立直接映射关系的系统调用。理解 mmap 与 munmap 的原型、映射分类以及权限标志位的组合语义，是掌握用户态高性能内存管理的基础。

3.1 mmap / munmap 系统调用原型

mmap 的核心功能是在进程的虚拟地址空间中分配一段连续区域，并将其与某个文件描述符（或匿名页）建立映射。munmap 则用于解除映射，释放虚拟地址区间。

#include <sys/mman.h>

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,
           int fd, off_t offset);
int munmap(void *addr, size_t length);

3.2 文件映射与匿名映射

根据映射后端物理内存的来源，mmap 分为两大类：文件映射和匿名映射。两者的核心区别在于是否关联一个已打开的文件描述符。

3.2.1 文件映射（File-backed Mapping）

将文件的一段内容直接映射到进程的虚拟地址空间。对映射区域的读写会直接反映到文件中（MAP_SHARED），或通过写时拷贝（Copy-on-Write）产生私有副本（MAP_PRIVATE）。

• 典型用途：文件 I/O 加速、共享库加载、大文件随机访问。
• 关键参数：fd 必须为有效文件描述符；offset 指定文件内起始位置。
• 性能优势：避免用户态与内核态之间的数据拷贝，利用内核页缓存（Page Cache）实现按需加载。

3.2.2 匿名映射（Anonymous Mapping）

不关联任何文件，映射区域由内核分配物理页并初始化为零。通常用于进程间共享内存（配合 MAP_SHARED）或动态内存分配（如 glibc 的 malloc 在大块分配时内部使用 mmap）。

• 典型用途：进程间通信（共享内存）、大块堆内存分配、线程栈创建。
• 关键参数：fd 传 -1；flags 必须包含 MAP_ANONYMOUS。
• 性能优势：延迟分配（Demand Paging），仅在首次访问时触发缺页中断并分配物理页。

3.3 映射权限与标志位

mmap 的 prot 参数控制映射区域的访问权限，flags 参数控制映射的共享属性、内存分配策略以及内核行为。正确组合这两个参数是避免段错误、数据损坏或性能退化的关键。

3.3.1 权限位（prot）

3.3.2 核心标志位（flags）

3.3.3 常见组合模式

• 文件 I/O 加速：MAP_SHARED | PROT_READ | PROT_WRITE，配合文件描述符，实现零拷贝读写。
• 进程间共享内存：MAP_ANONYMOUS | MAP_SHARED | PROT_READ | PROT_WRITE，用于无亲缘关系进程间的数据交换。
• 私有匿名堆：MAP_ANONYMOUS | MAP_PRIVATE | PROT_READ | PROT_WRITE，glibc malloc 在分配大于 128KB 的内存时内部使用此组合。
• 代码加载与执行：MAP_PRIVATE | PROT_READ | PROT_EXEC，用于动态库映射，支持写时拷贝。

3.4 munmap 与映射生命周期管理

munmap 用于解除映射，释放虚拟地址区间。调用后，进程对该区域的访问将触发 SIGSEGV。内核会立即释放对应的物理页（对于文件映射，脏页会被标记为需要回写）。

• 参数要求：addr 必须是 mmap 返回的起始地址，length 必须与 mmap 时一致（或为页对齐值）。
• 部分解除：Linux 支持对映射区域的部分解除，但 addr 和 length 必须页对齐。
• 自动解除：进程退出时，所有映射区域会被内核自动解除；但显式调用 munmap 是良好的资源管理习惯。