mmap 是 Unix/Linux 系统中一个强大且多用途的系统调用，用于将文件或设备映射到进程的地址空间，实现内存映射I/O。
1. 函数的概念与用途
mmap（内存映射）函数允许程序将文件或其他对象直接映射到其地址空间，这样文件内容就可以通过内存指针直接访问，而不需要使用传统的 read/write 系统调用。
主要用途：
- 文件I/O优化：提供对文件的高效随机访问，避免频繁的
read/write系统调用 - 进程间通信：通过映射同一文件实现共享内存
- 内存分配：用于实现高效的内存分配器（如
malloc） - 程序加载：用于加载可执行文件和共享库
- 零拷贝I/O：在某些情况下可以实现零拷贝网络传输
2. 函数的声明与出处
mmap 函数定义在 <sys/mman.h> 头文件中，是 POSIX 标准的一部分。
#include <sys/mman.h>void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
3. 返回值的含义与取值范围
- 成功时：返回映射区域的起始地址
- 失败时：返回
MAP_FAILED（通常是(void *)-1），并设置errno来指示错误原因
常见错误码 (errno)：
EACCES：文件描述符不支持所请求的访问类型EAGAIN：文件已被锁定，或太多内存被锁定EBADF：文件描述符无效EINVAL：参数无效（如长度为零、不支持的保护或标志）ENFILE：已达到系统对打开文件总数的限制ENODEV：文件所在文件系统不支持内存映射ENOMEM：没有可用内存，或进程超出内存映射限制EPERM：操作被拒绝（如尝试写入只写区域）
4. 参数的含义与取值范围
-
void *addr- 含义：建议的映射起始地址（通常设为 NULL，由内核自动选择）
- 取值范围：任何有效的地址或 NULL
-
size_t length- 含义：要映射的字节数
- 取值范围：大于 0 的值
-
int prot- 含义：内存保护标志，指定访问权限
- 常见取值（使用按位或组合）：
PROT_NONE：页面不可访问PROT_READ：页面可读PROT_WRITE：页面可写PROT_EXEC：页面可执行
-
int flags- 含义：映射类型和选项
- 常见取值（使用按位或组合）：
MAP_SHARED：共享映射，修改对其他进程可见MAP_PRIVATE：私有映射，修改不会写回文件MAP_ANONYMOUS：不映射文件，创建匿名内存MAP_FIXED：必须使用指定地址MAP_LOCKED：锁定页面在内存中
-
int fd- 含义：要映射的文件描述符
- 取值范围：有效的文件描述符（对于匿名映射，设为 -1）
-
off_t offset- 含义：文件中的偏移量，必须是系统页面大小的倍数
- 取值范围：非负值，通常是页面大小的倍数
5. 函数使用案例
案例1：文件映射与读取
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main() {const char *filename = "example.txt";const int file_size = 1024;// 创建并写入示例文件int fd = open(filename, O_RDWR | O_CREAT, 0644);if (fd == -1) {perror("open");exit(EXIT_FAILURE);}// 调整文件大小if (ftruncate(fd, file_size) == -1) {perror("ftruncate");close(fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 映射文件到内存char *mapped = mmap(NULL, file_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);if (mapped == MAP_FAILED) {perror("mmap");close(fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 通过内存访问文件内容const char *message = "Hello, mmap!";strncpy(mapped, message, strlen(message));printf("File content via mmap: %s\n", mapped);// 取消映射并关闭文件if (munmap(mapped, file_size) == -1) {perror("munmap");}close(fd);return 0;
}
案例2：进程间共享内存
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>#define SHM_SIZE 1024int main() {// 创建共享内存区域（匿名映射）char *shared_mem = mmap(NULL, SHM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);if (shared_mem == MAP_FAILED) {perror("mmap");exit(EXIT_FAILURE);}pid_t pid = fork();if (pid == -1) {perror("fork");exit(EXIT_FAILURE);}if (pid == 0) { // 子进程printf("Child process writing to shared memory\n");strcpy(shared_mem, "Message from child process");exit(EXIT_SUCCESS);} else { // 父进程wait(NULL); // 等待子进程结束printf("Parent process reading from shared memory: %s\n", shared_mem);// 清理if (munmap(shared_mem, SHM_SIZE) == -1) {perror("munmap");}}return 0;
}
案例3：高效大数据处理
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>#define FILE_SIZE (1024 * 1024 * 100) // 100MBint main() {const char *filename = "large_file.bin";int fd = open(filename, O_RDWR | O_CREAT, 0644);if (fd == -1) {perror("open");exit(EXIT_FAILURE);}// 调整文件大小if (ftruncate(fd, FILE_SIZE) == -1) {perror("ftruncate");close(fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 映射文件char *mapped = mmap(NULL, FILE_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);if (mapped == MAP_FAILED) {perror("mmap");close(fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 使用内存映射进行高效处理clock_t start = clock();for (size_t i = 0; i < FILE_SIZE; i++) {mapped[i] = (char)(i % 256); // 填充数据}clock_t end = clock();double elapsed = (double)(end - start) / CLOCKS_PER_SEC;printf("Processed %d MB in %.2f seconds (%.2f MB/s)\n", FILE_SIZE / (1024 * 1024), elapsed, (FILE_SIZE / (1024.0 * 1024.0)) / elapsed);// 清理if (munmap(mapped, FILE_SIZE) == -1) {perror("munmap");}close(fd);remove(filename); // 删除临时文件return 0;
}
6. 编译方式与注意事项
编译命令：
gcc -o mmap_example1 mmap_example1.c
gcc -o mmap_example2 mmap_example2.c
gcc -o mmap_example3 mmap_example3.c
注意事项：
- 权限检查：确保对映射的文件有适当的访问权限
- 对齐要求：
offset参数必须是系统页面大小的倍数（可用sysconf(_SC_PAGE_SIZE)获取） - 资源清理：始终使用
munmap()取消映射，并使用close()关闭文件描述符 - 错误处理：始终检查返回值并处理可能的错误
- 同步：对于共享映射，修改可能不会立即写回文件，可使用
msync()强制同步 - 内存保护：注意设置适当的保护标志，避免安全漏洞
- 可移植性：不同系统可能有不同的页面大小和限制
7. 执行结果说明
案例1输出：
File content via mmap: Hello, mmap!
这个示例创建了一个文件，通过内存映射写入内容，然后读取并显示内容。
案例2输出：
Child process writing to shared memory
Parent process reading from shared memory: Message from child process
这个示例演示了父子进程如何通过匿名映射共享内存区域。
案例3输出：
Processed 100 MB in 0.15 seconds (666.67 MB/s)
这个示例展示了使用内存映射处理大文件的高效性，通过直接内存访问避免了频繁的系统调用。
8. 图文总结
以下是 mmap 系统调用的工作流程：
关键点总结：
mmap提供了一种高效的文件访问方式，避免了频繁的read/write系统调用- 支持文件映射和匿名映射两种模式，分别用于文件I/O和进程间通信
- 采用惰性加载机制，只有在实际访问时才会将数据加载到内存
- 对于共享映射，修改可能会自动写回文件（取决于标志）
- 必须正确使用
munmap()释放映射区域，避免资源泄漏 - 适当设置保护标志和映射选项对性能和安全性至关重要
mmap 是一个强大的系统调用，正确使用可以显著提高I/O性能，但需要仔细考虑内存管理和同步问题。
:polygonOffsetFactor工作原理大揭秘)
