linux开发之mmap内存映射

mmap概念

mmp是 将文件或设备直接映射到进程的虚拟内存空间 的一种机制，可实现程序像访问内存一样访问文件，而不需要传统的 read()/write()系统调用

文件内容被映射到进程的地址空间，读写文件就像操作内存一样，操作系统负责自动同步内存和文件的修改（除非显式禁用）。

好处：

• 文件 I/O 优化：避免频繁的 read()/write()，提升性能，例如数据库引擎（如 SQLite、LevelDB）用 mmap加速磁盘访问
• 多个进程需要高效共享数据（如父子进程、独立进程），比管道、消息队列更快（直接内存访问），Chrome 浏览器用 mmap共享多个标签页的内存，机器学习训练时，多个进程共享模型参数
• 序运行时加载动态链接库（.so/.dll）时，库文件被映射到内存，按需加载（懒加载），节省内存
• sendfile：文件通过 mmap映射到内存，直接通过 DMA 发送到网卡，无需 CPU 参与拷贝

语法：函数声明

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

参数	说明
addr	建议映射的起始地址（通常传 NULL，由系统自动分配）
length	映射区域的长度（字节）
prot	内存保护方式（PROT_READ, PROT_WRITE 等）
flags	映射类型（MAP_SHARED, MAP_PRIVATE）
fd	文件描述符（通过 open 获得）
offset	文件映射起始偏移（必须是页大小的整数倍）

相关常量：

// 保护方式
PROT_READ      // 可读
PROT_WRITE     // 可写
PROT_EXEC      // 可执行
PROT_NONE      // 不可访问

// 映射类型
MAP_SHARED     // 修改会写回文件，进程间共享
MAP_PRIVATE    // 写时复制，修改不写回文件

// 取消映射
int munmap(void *addr, size_t length);  // 释放映射

mmap写文件

[root@prs31 01-fd]# cat 01-mmap_read.c 
// 01-mmap_read.c

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


int main() {
    int fd;
    struct stat sb;
    char *mapped;
    fd = open("test.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        exit(1);
    }

    // 2. 获取文件状态（主要是大小）
    if (fstat(fd, &sb) == -1) {
        perror("fstat");
        exit(1);
    }

    // 3. 映射文件到内存
    mapped = mmap(NULL, sb.st_size, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (mapped == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        close(fd);
        exit(1);
    }

    // 4. 像访问数组一样读取内容
    printf("文件内容:\n");
    for (off_t i = 0; i < sb.st_size; i++) {
        putchar(mapped[i]);     // 逐字符打印内存映射文件（mmap）的内容
    }

    // 5. 解除映射
    if (munmap(mapped, sb.st_size) == -1) {
        perror("munmap");
    }

    close(fd);
    return 0;
}

mmap追加文件内容

[root@prs31 01-fd]# cat 02-mmap_write.c 
// mmap_write.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>

int main() {
    int fd;
    struct stat sb;
    char *mapped;
    const char *new_content = "\nAppended via mmap!";

    // 1. 以读写方式打开文件
    fd = open("test.txt", O_RDWR);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        exit(1);
    }

    // 2. 获取文件大小
    if (fstat(fd, &sb) == -1) {
        perror("fstat");
        exit(1);
    }

    // 3. 扩展文件大小（为追加内容预留空间）
    off_t new_size = sb.st_size + strlen(new_content);
    if (ftruncate(fd, new_size) == -1) {
        perror("ftruncate");
        close(fd);
        exit(1);
    }


    // 4. 映射整个新大小的文件，这里传递使用扩展后的文件大小
    mapped = mmap(NULL, new_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (mapped == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        close(fd);
        exit(1);
    }

    // 5. 在原内容末尾写入新内容，strcpy(目的变量，要添加的变量)
    strcpy(mapped + sb.st_size, new_content);
    printf("已追加内容到文件\n");

    if (munmap(mapped, new_size) == -1) {
        perror("munmap");
    }

    close(fd);
    return 0;
}

mmap实现进程间共享内存

[root@prs31 01-fd]# cat 03-shm_writer.c 
// 03-shm_writer.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>

int main() {
    int fd;
    char *mapped;

    // 1. 创建共享文件
    fd = open("/tmp/shm_file", O_CREAT | O_RDWR, 0644);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        exit(1);
    }

    // 2. 扩展文件大小
    ftruncate(fd, 4096);  // 1页

    // 3. 映射
    mapped = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (mapped == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        exit(1);
    }

    // 4. 写入数据
    sprintf(mapped, "Hello from Process A (PID: %d)", getpid());
    printf("写入: %s\n", mapped);


    printf("等待按回车继续...\n");
    getchar();  // 等待进程B读取


    munmap(mapped, 4096);
    close(fd);
    return 0;
}

[root@prs31 01-fd]# cat 03-shm_reader.c 
// 03-shm_writer
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>


int main() {
    int fd;
    char *mapped;

    fd = open("/tmp/shm_file", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        exit(1);
    }

    mapped = mmap(NULL, 4096, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (mapped == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        exit(1);
    }


    printf("读取到: %s\n", mapped);

    munmap(mapped, 4096);
    close(fd);
    return 0;
}

运行代码

[root@prs31 01-fd]# gcc 03-shm_writer.c shm_writer
[root@prs31 01-fd]# gcc 03-shm_reader.c shm_reader

第二个终端：