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知识笔记
通用📖 学习中

mmap 内存映射 ​

mmap 是 Linux 中一种内存映射技术，可以将文件或设备直接映射到用户空间的内存地址，实现零拷贝访问。

什么是 mmap ​

mmap（memory map）将一个文件或设备的内容映射到调用进程的虚拟地址空间。映射后，进程可以直接通过指针读写这块内存，内核会自动将修改同步回文件。

普通 read/write:
  磁盘 → 内核页缓存 → 用户缓冲区  (2次数据拷贝)

mmap:
  磁盘 → 内核页缓存 → 用户空间直接访问  (0次数据拷贝)

函数原型 ​

c
#include <sys/mman.h>

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,
           int fd, off_t offset);

int munmap(void *addr, size_t length);

参数说明 ​

参数说明
addr期望的映射起始地址，传 NULL 由内核选择
length映射的长度（字节）
prot保护方式：PROT_READ / PROT_WRITE / PROT_EXEC / PROT_NONE
flags映射类型：MAP_SHARED / MAP_PRIVATE / MAP_ANONYMOUS 等
fd文件描述符
offset文件偏移量，必须是页大小的整数倍

返回值 ​

  • 成功：返回映射区域的起始地址指针
  • 失败：返回 MAP_FAILED（即 (void *)-1），并设置 errno

常见用法 ​

1. 文件读取（零拷贝） ​

mmap_read.cc
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>

int main() {
    int fd = open("test.bin", O_RDONLY);
    struct stat st;
    fstat(fd, &st);

    // 映射整个文件
    char *data = mmap(NULL, st.st_size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
    if (data == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        return 1;
    }

    // 直接通过指针访问文件内容
    for (off_t i = 0; i < st.st_size; i++) {
        char c = data[i];
        // ...
    }

    munmap(data, st.st_size);
    close(fd);
    return 0;
}

2. 进程间共享内存 ​

c
// 进程 A：创建共享文件并映射
int fd = open("shared.bin", O_RDWR | O_CREAT, 0644);
ftruncate(fd, 4096); // 设置文件大小
int *shared = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
*shared = 42; // 写入共享内存

// 进程 B：打开同一文件映射
int fd = open("shared.bin", O_RDWR);
int *shared = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
printf("%d\n", *shared); // 读取到 42

3. 匿名映射（不关联文件，分配内存） ​

c
// 相当于 malloc，但直接通过内核分配
void *ptr = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE,
                 MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

MAP_SHARED vs MAP_PRIVATE ​

标志说明
MAP_SHARED共享映射，修改会写回文件，其他映射同一文件的进程可见
MAP_PRIVATE私有映射，写时复制（COW），修改不影响原文件，其他进程不可见

重要注意事项 ​

1. offset 必须页对齐 ​

mmap 的 offset 参数必须是系统页大小（通常 4096 字节）的整数倍。

c
// 获取页大小
long page_size = sysconf(_SC_PAGESIZE); // 通常是 4096

2. 缺页中断 ​

mmap 只是建立了地址映射，并没有真正读取文件内容。第一次访问时才会触发缺页中断，由内核将对应页从磁盘读入内存。

3. 修改不会立即写回 ​

MAP_SHARED 的修改不会立即写回磁盘，需要调用 msync() 手动同步：

c
msync(addr, length, MS_SYNC); // 同步等待写回完成
// 或
msync(addr, length, MS_ASYNC); // 异步写回，不等待

4. SIGBUS 信号 ​

如果映射后文件被截断（长度变小），访问超出文件长度的部分会触发 SIGBUS 信号。

5. munmap 后不要访问 ​

调用 munmap() 后再访问映射区域会触发 SIGSEGV 段错误。

性能对比 ​

操作read/writemmap
小文件 (< 4KB)更快有映射开销
大文件顺序读较慢快约 15~30%
随机访问慢很多快很多
进程间共享需要拷贝零拷贝共享

常见应用场景 ​

  1. 大文件处理 — 避免读入整个文件到内存
  2. 进程间通信 — 共享内存（最高效的 IPC 方式之一）
  3. V4L2 视频采集 — MMAP 模式零拷贝获取帧数据
  4. 动态库加载 — 动态链接器使用 mmap 加载 .so 文件
  5. 内存分配 — malloc 的底层实现之一（大块分配时）

相关实验 ​

相关知识 ​

  • Linux 内存管理
  • 文件 IO
  • 页缓存 (Page Cache)