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- [1. mmap](#1. mmap)
- 2.malloc的原理
1. mmap
（1）文件映射
我们访问文件都是调用系统调read、write，这本质上是和文件缓冲区进行IO，之后系统自动刷新缓冲区到磁盘中。我们可以认为拿到文件缓冲区的访问权，我们就能访问文件。 除此之外，我们还可以将文件缓冲区映射到进程地址空间中，像动态库那样，这样的话我们就可以通过直接访问进程地址空间来操作文件缓冲区，进而不使用系统调用来操作文件。多个进程都可以这么做，就像一个动态库实例可以被映射到多个进程那样，这就是共享内存的原理 ，因此，我们可以说共享内存本质上还是看到了同一块文件缓冲区。
mmap就是负责把内核中的文件缓冲区，直接映射到进程地址空间中，我们也可以用此函数实现共享内存。
（2）mmap映射后的文件缓冲区
当我们利用mmap将文件缓冲区映射到进程中后，我们就可以像操作内存一样，通过指针直接读写这块地址空间，而这些操作会自动同步到对应的文件缓冲区，最终由内核刷新到磁盘。 这就直接越过了系统调用，因为调用read、write实际上是间接和缓冲区打交道的，而mmap映射后我们可以直接进行访问。
对于多个进程而言，如果多个进程同时映射同一个文件缓冲区，它们看到的就是同一块区域，即共享内存 ，因此可见共享内存根本不是什么特殊的内存区域，就是多个进程共享了同一块文件缓冲区而已。相比命名管道而言，共享内存的优势在于随机访问，mmap后拿到的是一整个内存块。而命名管道虽然是内存级文件，但命名管道不支持随机访问，更适合流式通信。
因此我们可以总结mmap的核心用途：高效读写文件，实现进程间通信（共享内存）
（3）mmap参数含义
下面是mmap的声明
c
void* mmap(void* addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);- 返回值 ：成功则返回映射区域的虚拟地址起始地址 ；失败则返回
MAP_FAILED（本质就是把-1强转成void*） - 参数详解 ：
addr：期望的映射起始地址。一般传nullptr，让内核自动选择最合适的地址；如果传具体地址，内核会尽量满足，但不保证length：要映射到地址空间的字节数。注意：系统实际分配的大小一定是页面大小的整数倍（通常是4KB） 。比如你传3500字节，内核会给你映射4096字节（1页），因为操作系统管理内存的最小单位是页。但注意我们实际上能访问的还是3500字节，申请多少访问多少，只不过物理层面开辟的空间会对齐。要理解这个，我们须知道对齐操作是为了提高硬件效率设计出来的，操作系统要是处处根据其硬件实际处理来调节访问权限，那就乱套了！也就是说进程地址空间和物理内存都会浪费一定空间。prot：映射区域的访问权限，用宏定义按位或组合：PROT_READ：可读PROT_WRITE：可写PROT_EXEC：可执行
- （重点，后续会讲）
flags：映射类型，最常用的两个：MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS：私有匿名映射。对映射区域的修改不会写回底层文件，也不会被其他进程看到（写时复制机制）MAP_SHARED：共享映射。对映射区域的修改会写回底层文件，并且对所有映射该文件的进程可见
fd：要映射的文件描述符。如果是匿名映射（不需要文件），传-1offset：从文件的哪个位置开始映射。比如文件有3000字节，offset=1000就表示从第1000字节开始映射，此时length传2000就够了
（4）munmap
映射的内存使用完后，必须手动释放，否则会造成内存泄漏：
c
int munmap(void* addr, size_t length);addr：就是mmap返回的起始地址，就是需要回收的地址length：和mmap中传入的length保持一致
（5）mmap的使用
a.写文件
用mmap写文件有一个非常重要的前提：必须先保证文件的大小足够容纳你要映射的区域 。因为mmap只负责映射文件缓冲区，它不会自动帮你扩容文件。
所以写文件的步骤是：
open打开文件（如果不存在就创建）- 用
ftruncate调整文件到目标大小（空文件必须做这一步！） mmap映射文件- 直接通过指针操作内存，完成写入
munmap取消映射close关闭文件
c
// 示例：用mmap写入"Hello mmap"到文件
int fd = open("test.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0644);
ftruncate(fd, 10); // 把文件调整到10字节大小，默认填充0
char* buf = (char*)mmap(nullptr, 10, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); // 共享映射
strcpy(buf, "Hello mmap"); // 直接写内存就等于写文件
munmap(buf, 10);
close(fd);注意：
ftruncate调整后的文件，未写入的部分默认是0，用文本编辑器打开可能会显示成^@乱码。
b.读文件
读文件相对简单，不需要提前扩容，只需要先获取文件的实际大小即可：
open打开文件- 用
fstat获取文件属性，得到文件大小st_size mmap映射整个文件（或部分）- 直接通过指针读取内存
munmap取消映射close关闭文件
c
// 示例：用mmap读取文件内容
int fd = open("test.txt", O_RDONLY);
struct stat st;
fstat(fd, &st);
char* buf = (char*)mmap(nullptr, st.st_size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
printf("%s\n", buf); // 直接读内存就等于读文件
munmap(buf, st.st_size);
close(fd);对于大文件，我们可以通过
length + offset的组合，分段映射文件的不同部分，实现大文件的分片映射。同时注意，不管读文件还是写文件，mmap映射的区域不要超过文件缓冲区的大小，因为这样会出现越界访问。
2.malloc的原理
（1）共享映射和私有映射
这是mmap最重要的参数，理解了这个参数我们可以进一步理解内存开辟的本质，特别是私有映射。
a.共享映射（MAP_SHARED）
对映射区域的修改会实时写回磁盘 ，并且对所有映射该文件的进程可见。这就是实现共享内存的基础。因此我们可以实现进程间通信（IPC），多个进程同时映射同一个磁盘文件，就可以通过这块共享内存直接交换数据。
b.私有映射（MAP_PRIVATE）和匿名映射（MAP_ANONYMOUS）
私有映射，私有两字即对映射区域的修改不会写回磁盘 ，也不会被其他进程看到。内核采用写时拷贝（Copy-On-Write） 机制，当你修改私有映射的内存时，内核会复制一份新的内存给你，后续的修改都在这个副本上进行。也就类似于进程保持数据独立性的方法一样，映射后保持只读，只要修改触发中断，根据访问地址确定是否为越界访问，如果不是则进行写时拷贝。 因此我们可以理解为mmap映射了一个内存级文件，其实就是在进程地址空间中映射出来一块可用的内存，并且这个内存只能该进程使用（相比而言，共享映射强调通信）。
只读文件的读取不需要写回磁盘的场景，用私有映射更安全。
匿名映射是一种特殊的映射，它不需要关联任何磁盘文件，直接由内核分配一块物理内存映射到进程地址空间。
下面是私有匿名映射的使用：
c
void* buf = mmap(nullptr, 1024, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);问题是这有什么用？这不就是malloc、加载动态库的原理吗？
malloc会直接调用mmap分配私有匿名映射内存。以及进程加载动态库，就是把动态库文件映射到自己的地址空间，用的就是私有映射。
或者父子进程间的共享内存（父进程先创建匿名共享映射，再fork子进程，子进程会继承这个映射）都是使用mmap的这个选项。mmap默认映射的空间是在堆栈之间的，我们也可自己指定。
（2）mmap的底层原理
mmap的底层实现，核心依赖内核中的两个数据结构：
struct mm_struct：每个进程都有一个，描述整个进程的地址空间struct vm_area_struct：描述地址空间中的一个连续区域（比如代码段、数据段、堆、栈、mmap映射区）
vm_area_struct中几个关键字段：
vm_start：映射区域的起始虚拟地址vm_end：映射区域的结束虚拟地址vm_mm：指向所属进程的mm_structvm_file：指向映射的文件对象（如果是文件映射）；如果是匿名映射，这个字段为NULL
当我们调用mmap时，内核会做两件事：
- 在进程的地址空间中，找到一块合适的空闲区域，创建一个新的
vm_area_struct - 如果是文件映射，就把这个
vm_area_struct和对应的文件对象关联起来。如果像malloc那样只是为了开辟内存，则为NULL
注意：此时内核并没有立即分配物理内存，只有当进程第一次访问这个虚拟地址时，才会触发缺页异常，内核才会真正分配物理页 ，并建立虚拟地址到物理地址的映射。这就是mmap的延迟分配机制。