mmap 创建共享内存映射

news2024/12/25 8:56:03

所谓内存映射指的是让一个磁盘文件与内存中的一个缓冲区相映射，进程访问这块内存时，就等同于访问文件对应映射部分，不必再调用 read / write 。

我们可以使用mmap函数来建立内存和文件某一部分的映射关系。

一、共享内存映射的创建 / 释放

1、创建共享内存映射：mmap

2、释放共享内存映射：munmap

二、mmap使用及其注意事项

1、mmap使用

(1) 打开文件

(2) mmap建立映射

(3) 通过映射向文件写入内容

(4) 完整代码

2、mmap使用注意事项

(1) 映射区只要建立成功，文件可以立即关闭

(2) 映射的文件大小必须大于0，否则会报总线错误

(3) 文件偏移量必须为0或者4K的整数倍

(4) 映射空间大小可以大于文件大小，但要注意不要访问区外部分

(5) 设置的映射空间大小 ≠ 实际分配的映射空间大小

一、共享内存映射的创建 / 释放

1、创建共享内存映射：mmap

mmap 函数的作用是创建共享内存映射。mmap函数的参数较多，几乎每一个参数都有注意事项，下面介绍的重点是mmap函数的参数。

(1) addr

用户可以手动指定要映射的内存地址，一般设置为NULL，让OS自动选择合适的内存地址，如果最后映射建立成功，mmap会返回内存中映射区的首地址。

(2) length

为内存中映射地址空间分配的字节数（length > 0）。这里分为了两种情况：

length > 文件映射部分大小
length < 文件大小

当 length < 文件映射部分大小时，文件有一部分无法映射到内存。

当 length > 文件映射部分大小时，有一部分无法映射到文件，这就意味着，即便向这部分内存写入内容，也不会反馈给文件。

因此，一般建议设置的映射空间大小直接和文件大小保持一致。文件大小的计算可以使用lseek函数。

// 起始偏移量为0，将文件指针移动到末尾（SEEK_END）
// 返回的结果就是 文件指针相对于起始位置的字节数
int size = lseek(fd, 0, SEEK_END);

(3) prot

指定内存映射空间的访问权限。其实就是要以何种形式来访问这块映射空间，如可读、可写、可执行等，可选值如下：

可选值	含义
PROT_READ	可读
PROT_WRITE	可写
PROT_EXEC	可执行
PROT_NONE	不可访问

(4) flags

指定内存映射空间的映射方式。可以是共享，代表其他进程可以看到；可以是私有，代表其他进程看不到；也可以是匿名，一般用于有血缘关系之间的进程。可选值如下：

可选值	含义
MAP_SHARED	共享
MAP_PRIVATE	私有
MAP_ANONYMOUS	匿名

注意： MAP_SHARED 和 MAP_PRIVATE必选其一

(5) fd

指定要映射的文件。当一个文件被成功打开的时候，就会有一个文件描述符来唯一的指向该文件。如果是匿名映射，填 -1

问：为什么建立内存映射需要打开文件？

答：在创建映射区的过程中，隐藏着一次对映射文件的读操作，目的是将部分文件内容读取到映射区。（读取多少，取决于偏移量的设置）

(6) offset

表示映射文件的偏移量。设置为0表示从头开始映射。当你向映射区写入内容的时候，其实是向文件的起始映射位置开始写入，而不是从文件起始位置开始写入。

映射部分：向映射区写入的内容，会映射到文件的对应部分

剩余部分：内存是以页为单位进行分配的，一页大小是4K，映射区的大小如果小于4K，剩下没有映射的就是“剩余部分”，访问该部分的时候，不会有任何问题，因为这块内存还在一页的范围里。但是你向该部分写入的内容，不会映射到文件，因为在文件里不存在对应的映射区域。

区外部分：该部分是内存没有分配给你的，访问这部分会报总线错误。

(6) 返回值

映射创建成功，返回创建映射区的首地址，失败返回 MAP_FAILED（((void *) -1)），设置errno值

2、释放共享内存映射：munmap

释放共享内存映射的时候，需要提供映射区的首地址，以及你手动分配的大小，注意这里要填的不是实际分配的大小，而是 mmap 第二个参数填入的值。

二、mmap使用及其注意事项

1、mmap使用

(1) 打开文件

映射文件必须以读写 (O_RDWR) 的形式打开，同时该文件的大小必须要大于0，否则会出现

int fd = open("./log.txt", O_RDWR);
if(fd < 0)
{
    perror("open");
    return -1;
}

(2) mmap建立映射

针对mmap 的各个参数，设置如下：

第一个参数设为NULL，交由OS来分配内存
第二个参数设为文件大小
第三个参数设为可写 PROT_WRITE
第四个参数设为共享 MAP_SHARED
第五个参数填入上面得到的文件描述符
第六个参数设为0，代表从文件起始位置开始映射

int len = lseek(fd, 0, SEEK_END);
void* addr = mmap(NULL, len, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
if(addr == MAP_FAILED)
{
    perror("mmap");
    return -1;
}

(3) 通过映射向文件写入内容

我们向内存映射空间中写入一个字符串，然后看一下文件中是否有对应的字符串

const char* str = "hello, world";
memcpy(addr, str, strlen(str));

(4) 完整代码

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

int main(){
	int fd = open("./log.txt", O_RDWR);
	if(fd < 0)
	{
		perror("open");
		return -1;
	}

	int len = lseek(fd, 0, SEEK_END);
	void* addr = mmap(NULL, len, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
	if(addr == MAP_FAILED)
	{
		perror("mmap");
		return -1;
	}

	const char* str = "hello, world";
	memcpy(addr, str, strlen(str));
	return 0;
}