Linux 鎖頁：mlock/munlock 實現內存常駐與安全防換出

概念

虛擬內存以頁（通常 4KB）為單位管理。鎖頁 指告知內核：特定虛擬頁必須關聯物理頁框，且不允許換出到交換分區。調用 mlock 時若頁已換出，內核會先換入再鎖定。

應用場景

1. 實時/高性能：避免頁錯誤導致的不可預測延遲，配合高優先級調度使用。
2. 隱私安全：防止敏感數據（密鑰、密碼）被換出到磁盤，減少物理訪問洩露風險。

關鍵特性

• 鎖針對虛擬頁，同一物理頁若被多個虛擬頁映射，任一加鎖即禁止換出。
• 不支持疊加鎖：同一虛擬頁最多一把鎖。
• 解鎖條件：進程調用 munlock、進程退出（虛擬地址空間銷毀）。
• 不繼承：fork 子進程不繼承鎖，但因複製時共享物理頁（COW），子進程實際受益於父進程的鎖。
• 權限限制：僅超級用戶可鎖頁（CAP_IPC_LOCK），任意進程可解鎖。
• 系統限制：RLIMIT_MEMLOCK 限制可鎖內存總量（ulimit -l 查看）。
• 寫時復制（COW）：若兩虛擬頁共享物理頁，一方寫入觸發內核複製物理頁，鎖屬性隨新頁保持。

API

#include <sys/mman.h>
int mlock(const void *addr, size_t len);   // 鎖定 [addr, addr+len) 覆蓋的頁
int munlock(const void *addr, size_t len); // 解鎖
int mlockall(int flags);                   // 鎖定進程全部當前/未來映射
int munlockall(void);                      // 全部解鎖

返回 0 成功，-1 失敗（errno 指示原因：ENOMEM 超限、EPERM 權限不足、EINVAL 參數無效等）。

使用建議

• 僅鎖定關鍵熱點數據或敏感緩衝區，避免過度消耗物理內存影響系統整體性能。
• 結合 mmap(MAP_LOCKED)（Linux 2.5.37+）可在映射時直接鎖定。
• 實時系統中常配合 sched_setscheduler(SCHED_FIFO/RR) 使用。