Unix内存映射

在Unix系统中,文件映射是一种将磁盘文件与内存区域关联起来的技术。其基本原理是,通过操作系统提供的内存管理设施,将文件的一部分或全部直接映射到进程的地址空间。

当程序访问这段内存区域时,实际上就是在访问文件的内容。这在很多场景中都是非常有用的。 比如说,假设你正在运行一个文本编辑器,需要打开一个非常大的文件进行编辑。传统的做法是,通过读操作将文件内容读入内存缓冲区,然后进行处理。但如果文件非常大,比如几个G,那么这种方式将消耗大量的内存和I/O资源。更重要的是,每次编辑器对文件的修改,都必须把完整的文件内容重新写回磁盘,以确保数据的一致性,这将会极大地影响程序的性能。 通过文件映射,编辑器可以将文件内容直接映射到内存中,将文件视为一个大数组。程序可以直接读写这段内存,从而读写文件内容。当修改文件时,只修改了内存中的一小部分,操作系统会负责将这部分数据写回磁盘,而不需要重新写入整个文件。这样既减少了内存消耗,又优化了I/O操作,提高了程序的性能。 此外,文件映射还可以用于进程间通信(IPC)。通过将同一个文件映射到不同的进程内存空间中,这些进程就可以通过访问和修改这段共享内存,来交换数据和同步状态。 所以,Unix中的文件映射在很多不同的场合下都有其强大的作用。

如图: 说明了虚拟地址与物理地址通过页来建立联系

我们使用mmap函数来创建映射:

使用案例:

cpp 复制代码
#include<t_stdio.h>
#include <sys/mman.h>
#include<string.h>
int main(void){
 // 将物理地址映射到虚拟地址空间
  int prot = PROT_READ | PROT_WRITE;
  int flags = MAP_PRIVATE |  MAP_ANONYMOUS;
 void * p= mmap(NULL,1024,prot ,flags,-1 ,0);
 if(p==MAP_FAILED) E_MSG("mmap",-1);
 // 这里已经将物理地址映射进程的虚拟地址空间
 strcpy(p,"hello beijing");
 printf("%s..\n",(char *)p);
 //解除映射
        munmap(p,1024);
return 0;
}

这是一个使用了内存映射(memory mapping)的C程序。该程序的目标是在虚拟内存空间中分配一段空间,然后在这段空间中写入字符串,最后释放这段内存空间。下面是关于这个进程的详细解释: 首先,必须要包含的头文件有 <t_stdio.h><sys/mman.h><string.h> 。其中, <sys/mman.h> 包含内存映射相关的函数,如 mmapmunmap,而 <string.h> 包含字符串操作的函数,如 strcpy。 函数开始时,它定义了两个整型变量 protflags 分别表示 protection 和 flags,用于控制内存映射的属性。 接着是 void* p = mmap(NULL, 1024, prot, flags, -1, 0);,这是一个 mmap 系统调用的使用,主要功能是在内存中创建一个映射。以下是这个函数参数的含义:

  • NULL 指明让系统自动选择映射的虚拟地址。
  • 1024 是请求映射的内存大小。
  • prot 定义了这个映射的权限,包括读取(PROT_READ)和写入(PROT_WRITE)权限。
  • flags 定义了其他选项,例如 MAP_PRIVATE 表示创建一个改变不会写回底层文件的私有映射, MAP_ANONYMOUS 表示映射不关联任何文件,忽略下面两个参数。
  • -1 这个参数会被忽略,因为使用了 MAP_ANONYMOUS
  • 0 指该内存段从物理文件的哪个位置开始映射,这同样会被忽略。 如果映射失败,mmap会返回 MAP_FAILED,程序将报错并结束。 如果映射成功,mmap 返回映射区域的起始地址,然后就可以在这块区域进行操作了。strcpy(p, "hello beijing"); 是在这块内存中写入字符串 "hello beijing"。然后 printf("%s",(char*)p); 将该内存区域的内容作为字符串打印出来。 最后,munmap(p, 1024); 调用解除映射,释放之前映射的内存空间。 总结一下,这个程序主要是演示如何使用 mmap 函数在内存中创建一个映射区域,用于存储字符串,并打印出来,然后释放这片内存区域。
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