存储映射I/O（memory-mapped I/O）是一种基于内存区域的高级I/O操作，它能将一个文件映射到进程地址空间中的一块内存区域中，当从这段内存中读数据时，就相当于读文件中的数据（对文件进行read操作），将数据写入这段内存时，则相当于将数据直接写入文件中（对文件进行write操作）。这样就可以在不使用系统I/O操作函数read和write的情况下执行I/O操作。
普通I/O方式一般是通过调用read和write函数来实现对文件的读写，使用read和 write读写文件时，函数经过层层的调用后，才能够最终操作到文件，中间涉及到很多的函数调用过程，数据需要在不同的缓存间传递，效率会比较低。
对于存储映射I/O来说，由于源文件和目标文件都已映射到了应用层的内存区域中，所以直接操作映射区来实现文件复制。使用存储映射I/O减少了数据的复制操作，所以在效率上会比普通I/O要高。
然而只有当数据量比较大时，效率的影响才会比较明显，如果数据量比较小，影响并不大，使用普通的I/O方式还是非常方便的。
1.4.4.1 mmap
用于将一个给定的文件映射到进程地址空间中的一块内存区域中。
1. 头文件
#include <sys/mman.h>
2. 函数原型
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
3. 参数
1）addr：用于指定映射到内存区域的起始地址。通常将其设置为NULL，这表示由系统选择该映射区的起始地址，这是最常见的设置方式；如果参数addr不为NULL，则表示由自己指定映射区的起始地址，此函数的返回值是该映射区的起始地址。
2）length：指定映射长度，表示将文件中的多大部分映射到内存区域中，以字节为单位。
3）prot：指定了映射区的保护要求，可取值如下：
⚫PROT_EXEC：映射区可执行；
⚫PROT_READ：映射区可读；
⚫PROT_WRITE：映射区可写；
⚫PROT_NONE：映射区不可访问。
可将 prot 指定为为 PROT_NONE，也可将其设置为PROT_EXEC、PROT_READ、PROT_WRITE 中一个或多个（通过按位或运算符任意组合）。对指定映射区的保护要求不能超过文件 open()时的访问权限。
4）flags：可影响映射区的多种属性，参数flags必须要指定以下两种标志之一：
⚫MAP_SHARED：此标志指定当对映射区写入数据时，数据会写入到文件中，也就是会将写入到映射区中的数据更新到文件中，并且允许其它进程共享。
⚫MAP_PRIVATE：此标志指定当对映射区写入数据时，会创建映射文件的一个私人副本（copy-onwrite），对映射区的任何操作都不会更新到文件中，仅仅只是对文件副本进行读写。
除此之外，还可将以下标志中的0个或多个组合到参数flags中，通过按位或运算符进行组合：
⚫MAP_FIXED：在未指定该标志的情况下，如果参数addr不等于 NULL，表示由调用者自己指定映射区的起始地址，但这只是一种建议、而并非强制，所以内核并不会保证使用参数 addr 指定的值作为映射区的起始地址；如果指定了MAP_FIXED标志，则表示要求必须使用参数addr指定的值作为起始地址，如果使用指定值无法成功建立映射时，则放弃。通常，不建议使用此标志，因为这不利于移植。
⚫MAP_ANONYMOUS：建立匿名映射，此时会忽略参数fd和 offset，不涉及文件，而且映射区域无法和其它进程共享。
⚫MAP_ANON：与MAP_ANONYMOUS 标志同义，不建议使用。
⚫MAP_LOCKED：对映射区域进行上锁。
5）fd：指定要映射到内存区域中的文件。
6）offset：文件映射的偏移量，通常将其置为0，表示从文件头部开始映射。
所以参数 offset 和参数 length 就确定了文件的起始位置和长度，将文件的这部分映射到内存区域中。
参数addr和offset在不为NULL和0的情况下，addr和offset的值通常被要求是系统页大小的整数倍，可通过sysconf函数获取页大小：
sysconf(_SC_PAGE_SIZE) 或 sysconf(_SC_PAGESIZE)
需要注意参数length的值不能大于文件大小，即文件被映射的部分不能超出文件。
4. 返回值
成功情况下，函数的返回值便是映射区的起始地址；发生错误时，返回(void *)-1，通常使用MAP_FAILED来表示，并且会设置errno来指示错误原因。
1.4.4.2 munmap
用于解除存储映射。
1. 头文件
#include <sys/mman.h>
2. 函数原型
int munmap(void *addr, size_t length);
3. 参数
addr：指定待解除映射地址范围的起始地址，它必须是系统页大小的整数倍。
length：指定了待解除映射区域的大小（字节数）。
需要注意的是，当进程终止时也会自动解除映射（如果程序中没有显式调用munmap），但调用close关闭文件时并不会解除映射。
通常将参数addr设置为mmap函数的返回值，将参数length设置为mmap函数的参数length，表示解除整个由mmap函数所创建的映射。
4. 返回值
会返回一个指向描述该错误的字符串的指针。
5. 示例
基于前面2.1.7练习的程序，将其改为存储映射的方式。
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| #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h> //strlen的头文件 #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <sys/mman.h> int main() { int fda, fdb; char buf[30] = "123456\n"; size_t length = strlen(buf); void *addrA, *addrB; fda = open("./testA", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0777); if ( fda < 0 ) { printf("error: A open\n"); return -1; } if ( write(fda, buf, strlen(buf)) != strlen(buf) ) { //通过strlen计算buf的实际字节长度 printf("error: testA write\n"); close(fda); return -1; } fdb = open("./testB", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0777); if ( fdb < 0 ) { printf("error: testB open\n"); close(fda); return -1; } ftruncate(fdb,length); //由于是存储映射拷贝，需要设置testB文件的长度 addrA = mmap(NULL, length, PROT_READ, MAP_SHARED, fda, 0); if (addrA == MAP_FAILED) { perror("mmap A"); close(fda); close(fdb); return -1; } addrB = mmap(NULL, length, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fdb, 0); if (addrB == MAP_FAILED) { perror("mmap B"); close(fda); close(fdb); munmap(addrA, length); return -1; } memcpy(addrB, addrA, length); //内存数据拷贝 munmap(addrA, length); munmap(addrB, length); close(fda); close(fdb); return 0; } |
6.编译运行并查看测试结果
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| cat testA 123456 cat testB 123456 |
存储映射 I/O 方式并不是完美的，它所映射的文件只能是固定大小，因为文件所映射的区域已经在调用mmap函数时通过length参数指定了。另外，文件映射的内存区域的大小必须是系统页大小的整数倍，比如映射文件的大小为100字节，假定系统页大小为1000字节，那么剩余的900字节全部填充为0，虽然可以通过映射地址访问剩余的这些字节数据，但不能在映射文件中反应出来，由此可知，使用存储映射I/O在进行大数据量操作时比较有效；对于少量数据，使用普通I/O方式更加方便。