目录
- [一、mmap 文件映射](#一、mmap 文件映射)
-
- [1.1 基本说明](#1.1 基本说明)
- [1.2 参数介绍](#1.2 参数介绍)
- [1.3 写入映射](#1.3 写入映射)
- [1.4 读取映射](#1.4 读取映射)
- [1.5 简单实现 malloc](#1.5 简单实现 malloc)
个人主页：矢望
个人专栏：C++、Linux、C语言、数据结构、Coze-AI、MySQL
一、mmap 文件映射
1.1 基本说明
mmap（memory map，内存映射）是操作系统提供的一个系统调用，它将文件或设备的内容映射到进程的虚拟地址空间中，使进程可以像访问内存一样直接读写文件，而无需使用传统的 read / write 系统调用。
核心：让内核将文件数据页直接映射到进程的页表中，当进程访问该内存区域时，内核自动完成文件数据与物理内存之间的同步。
mmap 可以用于实现共享内存，允许不同进程间共享数据；可以用于动态内存分配等。
mmap函数：
1.2 参数介绍
void *addr : 一个提示地址，表示希望映射区域开始的地址 。然而，这个地址可能会被内核忽略，特别是当我们没有足够的权限来请求特定的地址时。如果 addr 是 NULL ，则系统会自动选择一个合适的地址。
size_t length : 要映射到进程地址空间中的字节数 。这个长度必须是系统页面大小的整数倍（通常是 4KB ，但可能因系统而异）。如果指定的 length 不是页面大小的整数倍，系统可能会向上舍入到最近的页面大小边界(系统内存页大小为 4KB，即4096字节，而请求的内存大小为3500字节，则按照向上舍入的原则，应分配4096字节的内存)。
int prot : 指定了映射区域的内存保护属性 。可以是以下值的组合（使用按位或运算符 |）：
PROT_READ ：映射区域可读。
PROT_WRITE ：映射区域可写。
PROT_EXEC ：映射区域可执行。
int flags : 指定了映射的类型和其他选项 ：
MAP_PRIVATE ：创建一个私有映射。对映射区域的修改不会反映到底层文件中。
MAP_SHARED ：创建一个共享映射。对映射区域的修改会反映到底层文件中（前提是文件是以写方式打开的，并且文件系统支持这种操作）。
其他选项（如 MAP_ANONYMOUS 、 MAP_ANONYMOUS_SHARED 等）可能也存在于某些系统上，用于创建不与文件关联的匿名映射。
int fd : 一个有效的文件描述符，指向要映射的文件或设备 。对于匿名映射，这个参数可以是 -1 （在某些系统上，也可以使用 MAP_ANONYMOUS 或 MAP_ANON 标志来指定匿名映射，此时 fd 参数会被忽略）。
off_t offset : 文件中的起始偏移量，即映射区域的开始位置 。 offset 和 length 一起定义了映射区域在文件中的位置和大小。
返回值 ：
mmap 成功时返回映射区域的起始地址 void* 类型，失败时返回 MAP_FAILED，通常定义为 (void*)-1。
1.3 写入映射
这里我们要写的demo代码是使用 mmap 将文件映射到内存，然后直接通过内存写入来修改文件内容。
首先要做的工作就是打开目标文件。
cpp
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <cstdlib>
int main(int argc, char* argv[])
{
if(argc != 2)
{
std::cout << "Usage: " << argv[0] << " filename" << std::endl;
exit(1);
}
// 1、打开目标文件
int fd = ::open(argv[1], O_CREAT | O_RDWR | O_TRUNC, 0666);
if(fd < 0)
{
std::cerr << "open file fail" << std::endl;
exit(2);
}
return 0;
}这里有一个细节，我们使用mmap将文件映射到内存时是想要求文件可读可写的，所以我们需要以读写方式O_RDWR的方式打开文件。
打开文件之后，第二步就是要手动调整这个文件的大小 ，刚创建出来的文件大小是0，而mmap 映射时，文件大小必须 ≥ 映射长度，否则会失败。这里调整大小用到了ftruncate函数。
ftruncate 是一个系统调用，用于将文件截断或扩展到指定长度。新增的区域用空字节\0填充。
成功时，返回0，失败返回-1。
cpp
#define SIZE 1024
int main(int argc, char* argv[])
{
// 2、手动调整文件大小
if(::ftruncate(fd, SIZE) == -1)
{
std::cerr << "Failed to truncate file: " << argv[1] << std::endl;
exit(3);
}
return 0;
}紧接着就是进行文件映射的工作。
cpp
// 3、进行文件映射
char* shmaddr = (char*) ::mmap(nullptr, SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
if(shmaddr == MAP_FAILED)
{
std::cerr << "Failed to mmap file" << argv[1] << std::endl;
exit(4);
}| 参数 | 值 | 含义 |
|---|---|---|
addr |
nullptr |
让操作系统自动选择映射地址（最常用） |
length |
SIZE |
映射的字节数（建议是页大小的倍数，如 4096、8192） |
prot |
`PROT_READ | PROT_WRITE` |
flags |
MAP_SHARED |
共享映射：修改会写回文件，其他进程可见 |
fd |
文件描述符 | 指向文件（普通文件或 shm_open 对象） |
offset |
0 |
从文件开头开始映射 |
文件映射完成之后就是进行文件操作，我们进行写入文件。
cpp
// 4、进行文件操作
for(char c = 'a'; c <= 'z'; c++)
{
shmaddr[c - 'a'] = c;
sleep(1);
}完成文件操作之后就是取消文件映射和关闭文件。
munmap（Memory Unmap），是 mmap 的逆操作，用于解除内存映射。
cpp
// 5、取消映射
::munmap(shmaddr, SIZE);
// 6、关闭文件
::close(fd);运行测试 ：
如上，写入成功，并且文件的大小是1024，和我们设置的一样。
1.4 读取映射
读取映射和写入映射的结构一模一样，这里就在上面的demo代码上修改了。
fstat 是一个系统调用，用于获取已打开文件的状态信息（元数据），如文件大小、权限、修改时间等。
cpp
#include <iostream>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <cstdlib>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
int main(int argc, char* argv[])
{
if(argc != 2)
{
std::cout << "Usage: " << argv[0] << " filename" << std::endl;
exit(1);
}
// 1、打开目标文件
int fd = ::open(argv[1], O_RDONLY);
if(fd < 0)
{
std::cerr << "open file fail" << std::endl;
exit(2);
}
// 2、获取文件大小
struct stat st;
::fstat(fd, &st);
// 3、进行文件映射
char* shmaddr = (char*) ::mmap(nullptr, st.st_size, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
if(shmaddr == MAP_FAILED)
{
std::cerr << "Failed to mmap file" << argv[1] << std::endl;
exit(4);
}
// 4、进行文件操作
std::cout << "File content: " << shmaddr << std::endl;
// 5、取消映射
::munmap(shmaddr, st.st_size);
// 6、关闭文件
::close(fd);
return 0;
}修改了打开文件和映射文件时的权限以及修改了第二步，代码的核心结构没有改动。
运行测试 ：
1.5 简单实现 malloc
上图中这个参数的选项：MAP_SHARED的修改会写回文件并对其他进程可见（多进程共享同一份物理内存），而 MAP_PRIVATE 的修改不写回文件且对其他进程不可见（写时复制机制，每个进程拥有独立副本）。MAP_ANONYMOUS是 mmap 的一个标志，用于创建不与任何文件关联的匿名内存映射。
MAP_SHARED 用于进程间通信、共享缓存、数据库、内存映射文件编辑器等需要多进程共享数据或持久化存储的场景；MAP_PRIVATE 用于加载动态库/可执行文件、只读分析大文件、临时修改配置等不需要保存修改或希望各进程保持独立的场景。
MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS的作用是映射出一块匿名空间，这种场景和malloc的场景很相像，事实上，大多数情境下，malloc的底层就是使用mmap实现的。当使用这个选项时，文件描述符就可以设为-1了。
demo代码：
cpp
#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <cstdlib>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>
void* my_malloc(size_t size)
{
void* ptr = ::mmap(nullptr, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
if(ptr == MAP_FAILED)
{
return nullptr;
}
return ptr;
}
void my_free(void* ptr, int size)
{
int ret = ::munmap(ptr, size);
if(ret != 0)
{
perror("munmap");
}
}
int main()
{
size_t size = 1024;
char* str = (char*)my_malloc(size);
if(str == nullptr)
{
perror("my_malloc");
exit(2);
}
printf("Allocated memory at address: %p\n", str);
// 使用 str 指向的内存
memset(str, 'A', size);
for(int i = 0; i < size; i++)
{
std::cout << str[i];
}
my_free(str, size);
return 0;
}运行测试 ：
编译时加上-g选项，使用gdb进行调试时，执行info proc mapping就可以看到我们申请的空间。
info proc mappings 是一个 GDB 命令，用于查看目标进程的内存映射布局，显示进程的虚拟地址空间中各个区域的起始地址、权限、大小以及映射的文件等信息。
上图中大小是0x1000就是4096字节，即便我们使用的是1024字节，mmap的length参数也会向上取整到4096字节。上面我们也可以看到我们的objfile一栏是空的，因为是匿名映射。
总结：
以上就是本期博客分享的全部内容啦！如果觉得文章还不错的话可以三连支持一下，你的支持就是我前进最大的动力！
技术的探索永无止境! 道阻且长，行则将至！后续我会给大家带来更多优质博客内容，欢迎关注我的CSDN账号，我们一同成长！
(～￣▽￣)～