Linux下基于mmap实现写时复制的内存拷贝速度探究

首先直接给结论：你确实可以通过文件映射的方式实现批量内存的写时复制（COW）效果，但这个方案的性能表现不能一概而论，得结合场景和内核版本来看

具体实现方案 #

按照你提到的思路，步骤大概是这样的：

• 创建一个文件（建议用临时文件，比如通过tmpfile()创建，或者用memfd_create()创建匿名文件，后面会说为什么）
• 调用mmap()将源内存区域映射到这个文件上，权限要匹配源内存的读写属性，一般用MAP_SHARED标志
• 再调用一次mmap()，以MAP_PRIVATE标志将目标内存地址空间映射到同一个文件，这样后续对目标内存的写入操作会触发内核的写时复制机制——只有被修改的内存页会被实际复制，未修改的页会和源内存共享物理页

方案的开销争议 #

你担心的额外开销确实存在，远不止页表操作这么简单：

• I/O开销：如果用的是普通磁盘文件，内核会把源内存的页同步到磁盘页缓存，甚至可能刷到物理磁盘，这会带来明显的I/O延迟。就算用tmpfs（基于内存的文件系统），虽然没有物理磁盘I/O，但还是有文件系统元数据的操作开销
• 页缓存管理开销：内核需要维护该文件的页缓存条目，处理页的引用计数、脏页标记等，这些都是额外的内核态操作
• 系统调用开销：两次mmap()以及后续的munmap()都是系统调用，会带来用户态到内核态的上下文切换，对于小内存块来说，这个开销甚至会超过直接memcpy()的成本

速度特性与内核版本的关联 #

这个方案的性能表现和内存大小、修改频率以及内核版本密切相关：

• 内存规模与修改频率：如果是超大内存块（几百MB以上）且后续很少修改目标内存，这个方案的优势会非常明显——不需要一次性复制所有数据，只有修改的页才会被复制。但如果是小内存块，或者后续会大量修改目标内存，那这个方案的开销会远高于直接memcpy()
• 内核版本优化：
  • Linux 3.17引入的memfd_create()可以创建匿名内存文件，完全避免磁盘文件的I/O开销，此时的开销主要是页表操作和页缓存管理，比普通文件映射快很多
  • 4.14及以后的内核对tmpfs的映射操作做了大量优化，减少了元数据操作的开销
  • 新内核对MAP_PRIVATE映射的COW逻辑也有优化，比如减少页表操作的锁竞争，提升多线程场景下的性能

另外补充一点：如果你的场景是进程间的内存共享COW，其实可以直接用匿名映射的MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS，但如果是同一进程内的内存COW复制，上述文件映射方案是可行的替代方案，但要权衡好性能。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者einpoklum