Linux系统编程之内存映射

概述

内存映射是操作系统提供的一种机制，使得文件或设备的内容可以直接映射到进程的虚拟地址空间中。这意味着，我们可以像访问数组一样读写文件内容，而不需要显式地调用I/O函数进行数据传输。内存映射适用于多种应用场景，包括但不限于：大文件处理、数据库和缓存、进程间通信、内存映射文件等。

内存映射的优势主要体现在如下三个方面。

1、提高性能：减少了从磁盘到用户空间的数据复制过程。

2、简化编程模型：可以通过指针直接访问文件内容，就像操作普通内存一样。

3、支持共享内存：多个进程可以共享同一块内存映射区域，实现高效的进程间通信。

mmap和munmap

mmap函数用于创建一个新的内存映射或扩展现有的映射，以将文件或设备映射到内存中。通过mmap，我们可以直接访问文件内容，就像操作内存一样简单和高效。这种机制特别适用于需要处理大文件、实现进程间通信、或需要频繁读写特定文件部分的应用场景。其函数原型如下。

cpp 复制代码

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

各个参数和返回值的含义如下。

addr：建议的映射起始地址，通常设置为NULL，让操作系统自动选择合适的地址。

length：映射区域的长度，以字节为单位。

prot：内存保护标志，指定映射区域的访问权限，取值如下。

（1）PROT_READ：映射区域可以被读取。

（2）PROT_WRITE：映射区域可以被写入。

（3）PROT_EXEC：映射区域可以被执行。

（4）PROT_NONE：映射区域不可访问。

flags：指定映射类型的标志，取值如下。

（1）MAP_SHARED：变更会被共享给其他进程，并且会同步更新到文件中。

（2）MAP_PRIVATE：创建一个私有副本，变更仅对当前进程可见，不会同步回文件。

（3）MAP_ANONYMOUS：映射匿名内存，不关联任何文件描述符。

fd：文件描述符。如果使用了MAP_ANONYMOUS标志，则此参数应设为-1。

offset：文件中的偏移量，指定了映射区域在文件中的起始位置。

返回值：成功时返回指向映射区域的指针，失败时返回MAP_FAILED，并设置errno为具体的错误原因。

munmap函数用于解除之前通过mmap建立的内存映射。它会将指定的地址范围从调用进程的地址空间中删除，并释放相应的资源。其函数原型如下。

cpp 复制代码

int munmap(void *addr, size_t length);

各个参数和返回值的含义如下。

addr：要解除映射的内存区域的起始地址。

length：内存区域的长度。

返回值：成功时返回0，失败时返回-1，并设置errno为具体的错误原因。

实战代码

下面的实战代码使用内存映射技术来读取并打印一个文件的内容。

首先，我们通过调用open函数以只读模式打开名为"hope_wisdom.txt"的文件。接着，使用fstat函数获取文件的统计信息，包括文件大小。然后，通过mmap函数将整个文件内容映射到进程的地址空间中，映射区域设置为只读且私有。这就意味着，对映射内容的任何修改都不会反映到原文件上。

成功映射后，我们直接将映射区域的内容作为字符串打印出来。最后，通过munmap函数解除了文件内容的内存映射，并关闭了文件描述符。

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
    int fd = open("hope_wisdom.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1)
    {
        printf("open failed\n");
        return 1;
    }

    // 获取文件大小
    struct stat sb;
    if (fstat(fd, &sb) == -1)
    {
        printf("fstat failed\n");
        close(fd);
        return 1;
    }
    
    // 映射文件
    off_t length = sb.st_size;
    void *pAddr = mmap(NULL, length, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
    if (pAddr == MAP_FAILED)
    {
        printf("mmap failed\n");
        close(fd);
        return 1;
    }

    // 打印内容
    printf("%s", (char *)pAddr);

    // 解除映射
    munmap(pAddr, length);
    close(fd);
    return 0;
}