Linux系统调用mmap文件映射与malloc简单模拟实现指南

mmap介绍

mmap是一个linux系统调用接口，作用是让进程把打开的文件映射到自己的地址空间内，给用户返回虚拟地址，往后操作文件就不用做系统调用了，可以通过虚拟地址对文件操作。

普通的文件访问方法是通过fd走系统调用，用户与内核间会频繁来回数据拷贝。文件创建出来，缓冲区也能申请好，只要把地址空间与缓冲区映射，就能通过虚拟地址访问。这有点类似共享内存，或者说这就是另一种共享内存，再来一个进程同样可以映射，就完成了不同进程数据共享。

所以mmap不仅可以实现单纯文件操作，也能完成共享内存的功能。

mmap的使用

c 复制代码

#include <sys/mman.h> //需要包含的头文件
void *mmap(void *addr
          , size_t length
          , int prot
          , int flags
          ,int fd, off_t offset
);

返回值：

成功：返回虚拟地址起始地址
失败：返回MAP_FAILED（即-1的强转）

参数：

addr：mmap可以指明具体地址，传入NULL让系统给我们分配（推荐）
length：要映射的文件的大小。（不一定从偏移量为0开始访问，length可调整。length是系统内存页的整数倍，内部会上下取整，和共享内存一样）
prot：权限设置
- PROT_READ：可读
- PROT_WRITE：可写
- ... ...
flags：映射类型
- MAP_SHARED：在使用虚拟地址访问时，会同步到文件
- MAP_PRIVATE：不与文件挂钩，单纯的开辟空间使用，和malloc一样效果
fd：文件描述符（文件的唯一性标识），选择要映射的文件描述符。
offset：文件映射起始偏移字节，映射区间为 [offset, offset + length)

注意：在使用mmap操作文件时，它没打开文件功能，也没有自动扩容功能，所以要先打开文件，然后根据需要进行文件大小调整。

关闭文件映射：

c 复制代码

int munmap(void *addr, size_t length);

返回值：

成功：0
失败：-1

参数：

addr：文件的起始地址
length：文件大小

示例代码：

c 复制代码

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

#define PAGE_SIZE 4096
int main(int argc, char* argv[])
{
    if(argc!=2)
    {
        std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " filename" << std::endl;
        return 1;
    }
    // 1. 打开文件
    int fd = open(argv[1],O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,0666);
    if(fd<0)
    {
        std::cout<<"file open fail"<<std::endl;
        return 2;
    }
    // 2. 调整文件大小
    if(::ftruncate(fd, PAGE_SIZE)==-1)
    {
        std::cout<<"ftruncate fail"<<std::endl;
        return 3;
    }
    //3. 文件映射
    char* shmaddr = (char*)::mmap(NULL,PAGE_SIZE,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
    if(shmaddr==MAP_FAILED)
    {
        std::cout<<"mmap fail"<<std::endl;
        return 4;
    }
    //4. 操作文件
    for(char c='a';c<='z';c++)
    {
        shmaddr[c-'a']=c;
        sleep(1);
    }
    //5. 关闭文件映射
    if(::munmap(shmaddr,PAGE_SIZE)==-1)
    {
        std::cout<<"munmap fail"<<std::endl;
        return 5;
    }
    ::close(fd);
    return 0;
}

输出结果：

打开文件查看内容（vim log.txt）

文件并未被使用的空间会被0填充（@^的ASCII值就是0）

注意：正常情况下需要获取一下文件大小。手动调整文件大小（特别是空文件），mmap不会扩容，只是对既定的文件映射，不像write一样自动扩容。

模拟实现malloc

以上讲的都是map_shared映射类似，而map_private创建私有的地址空间，给自己进程使用，这种映射方式也叫匿名映射。和文件就没有任何关系了，malloc底层调用有时候使用的就是mmap。

将权限设为可读可写，文件描述符设置为负一，设置标志位MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS作用是创建一个与任何文件都无关的、匿名的内存映射。它分配的内存是被初始化为全零的。

示例代码：

cpp 复制代码

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

void* my_malloc(int size)
{
    void* ptr = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
    if(ptr==MAP_FAILED)
    {
        std::cout<<"my_malloc fail"<<std::endl;
        return nullptr;
    }
    return ptr;
}

void my_free(void* ptr, int size)
{
    if(munmap(ptr, size)==-1) 
    {
        std::cout<<"my_free fail"<<std::endl;
    }
}
int main()
{
    int size = 1024;
    char* ptr = (char*)my_malloc(size);
    if(!ptr) return 1;
    for(char c = 'a'; c<='z'; c++)
    {
        ptr[c-'a'] = c;
        std::cout<<ptr[c-'a']<<" ";
    }
    std::cout<<std::endl;
    my_free(ptr, size);
    return 0;
}

输出结果：

非常感谢您能耐心读完这篇文章。倘若您从中有所收获，还望多多支持呀！🎉