内存映射

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mmap() 系统调用提供调用进程的虚拟地址空间中的映射，将文件或设备映射到内存中。这有两种类型 -

文件映射或文件支持的映射- 此映射将进程的虚拟内存区域映射到文件。这意味着读取或写入这些内存区域会导致文件被读取或写入。这是默认的映射类型。

匿名映射- 此映射映射进程虚拟内存的区域，无需任何文件支持。内容被初始化为零。此映射类似于动态内存分配 (malloc())，并在某些 malloc() 实现中用于某些分配。

一个进程映射中的内存可以与其他进程中的映射共享。这可以通过两种方式完成 -

• 当两个进程映射文件的同一区域时，它们共享相同的物理内存页。

• 如果创建了子进程，它将继承父进程的映射，并且这些映射引用与父进程相同的物理内存页。当子进程中的数据发生任何变化时，将为子进程创建不同的页面。

当两个或多个进程共享相同的页面时，每个进程都可以根据映射类型看到其他进程对页面内容所做的更改。映射类型可以是私有的或共享的 -

私有映射 (MAP_PRIVATE) - 对此映射内容的修改对其他进程不可见，并且映射不会传递到底层文件。

共享映射 (MAP_SHARED) - 对此映射内容的修改对其他进程可见，并且映射被传送到底层文件。

#include <sys/mman.h>

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

上述系统调用在成功时返回映射的起始地址，在错误时返回 MAP_FAILED。

虚拟地址 addr 可以是用户指定的，也可以由内核生成（将 addr 传递为 NULL 时）。指示的字段长度需要映射的大小（以字节为单位）。字段 prot 指示内存保护值，例如 PROT_NONE、PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_EXEC，分别表示不可访问、读取、写入或执行的区域。该值可以是单个值 (PROT_NONE)，也可以与三个标志中的任何一个（最后 3 个）进行或运算。字段标志指示映射类型 MAP_PRIVATE 或 MAP_SHARED。字段“fd”表示标识要映射的文件的文件描述符，字段“offset”表示文件的起始点，如果需要映射整个文件，则偏移量应为零。

#include <sys/mman.h>

int munmap(void *addr, size_t length);

上述系统调用成功时返回 0，错误时返回 -1。

系统调用 munmap，执行已内存映射区域的取消映射。字段addr指示映射的起始地址，长度指示要取消映射的映射的大小（以字节为单位）。通常，映射和取消映射将针对整个映射区域。如果必须有所不同，则应将其缩小或切成两部分。如果 addr 没有任何映射，则此调用将无效，并且调用返回 0（成功）。

让我们考虑一个例子 -

步骤 1 - 将字母数字字符写入文件，如下所示 -

步骤 2 - 使用 mmap() 系统调用将文件内容映射到内存中。这将返回映射到内存后的起始地址。

步骤 3 - 使用数组表示法访问文件内容（也可以使用指针表示法访问），因为不会读取昂贵的 read() 系统调用。使用内存映射，避免用户空间、内核空间缓冲区和缓冲区高速缓存之间的多次复制。

步骤 4 - 重复读取文件内容，直到用户输入“-1”（表示访问结束）。

步骤 5 - 执行清理活动，即取消映射映射内存区域 (munmap())、关闭文件并删除文件。

/* Filename: mmap_test.c */
#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
void write_mmap_sample_data();

int main() {
   struct stat mmapstat;
   char *data;
   int minbyteindex;
   int maxbyteindex;
   int offset;
   int fd;
   int unmapstatus;
   write_mmap_sample_data();
   if (stat("MMAP_DATA.txt", &mmapstat) == -1) {
      perror("stat failure");
      return 1;
   }
   
   if ((fd = open("MMAP_DATA.txt", O_RDONLY)) == -1) {
      perror("open failure");
      return 1;
   }
   data = mmap((caddr_t)0, mmapstat.st_size, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
   
   if (data == (caddr_t)(-1)) {
      perror("mmap failure");
      return 1;
   }
   minbyteindex = 0;
   maxbyteindex = mmapstat.st_size - 1;
   
   do {
      printf("Enter -1 to quit or ");
      printf("enter a number between %d and %d: ", minbyteindex, maxbyteindex);
      scanf("%d",&offset);
      if ( (offset >= 0) && (offset <= maxbyteindex) )
      printf("Received char at %d is %c\n", offset, data[offset]);
      else if (offset != -1)
      printf("Received invalid index %d\n", offset);
   } while (offset != -1);
   unmapstatus = munmap(data, mmapstat.st_size);
   
   if (unmapstatus == -1) {
      perror("munmap failure");
      return 1;
   }
   close(fd);
   system("rm -f MMAP_DATA.txt");
   return 0;
}

void write_mmap_sample_data() {
   int fd;
   char ch;
   struct stat textfilestat;
   fd = open("MMAP_DATA.txt", O_CREAT|O_TRUNC|O_WRONLY, 0666);
   if (fd == -1) {
      perror("File open error ");
      return;
   }
   // Write A to Z
   ch = 'A';
   
   while (ch <= 'Z') {
      write(fd, &ch, sizeof(ch));
      ch++;
   }
   // Write 0 to 9
   ch = '0';
   
   while (ch <= '9') {
      write(fd, &ch, sizeof(ch));
      ch++;
   }
   // Write a to z
   ch = 'a';
   
   while (ch <= 'z') {
      write(fd, &ch, sizeof(ch));
      ch++;
   }
   close(fd);
   return;
}

输出

Enter -1 to quit or enter a number between 0 and 61: 3 
Received char at 3 is D 
Enter -1 to quit or enter a number between 0 and 61: 28
Received char at 28 is 2 
Enter -1 to quit or enter a number between 0 and 61: 38 
Received char at 38 is c 
Enter -1 to quit or enter a number between 0 and 61: 59 
Received char at 59 is x 
Enter -1 to quit or enter a number between 0 and 61: 65 
Received invalid index 65 
Enter -1 to quit or enter a number between 0 and 61: -99 
Received invalid index -99 
Enter -1 to quit or enter a number between 0 and 61: -1