Linux编程之mmap示例

一、问题背景

Linux下，针对文件读写操作，一般有三个步骤：
1）把文件内容读入到内存中；调用read（系统调用），从内核态读取文件内容到虚拟内存；
2）修改内存中的内容；在用户空间修改内存中的信息；
3）把内存的数据写入到文件中；调用write（系统调用），从用户态将修改后的内容写入到文件；
过程如下图所示：（本文只讨论mmap，关于page cache，请查看：https://www.cnblogs.com/ronnieyuan/p/12377059.html）

显然一次文件的修改操作，我们对文件内容拷贝了两次；

如何优化上述的文件读写操作？如果可以直接在用户空间读写page cache，那么就不需要将文件数据拷贝到用户空间缓存区这个动作了，mmap即可完成；

使用mmap系统调用可以将用户空间的虚拟内存地址与文件进行映射绑定，对映射或的虚拟内存地址进行读写操作，就如同对文件进行读写操作一样。原理图如下所示：

通过上图可以看出，读写文件都需要经过页缓存，所以mmap映射的正是文件的页缓存，而非磁盘中的文件本身。由于mmap映射的是文件的页缓存，所以就涉及到同步的问题，即页缓存会在什么时候把数据同步到磁盘。Linux内核并不会主动把mmap映射的页缓存同步到磁盘，而是需要用户主动触发。同步mmap映射的内存到磁盘有4个时机：1）调用 msync 函数主动进行数据同步（主动）；2）调用 munmap 函数对文件进行解除映射关系时（主动）；3）进程退出时（被动）；4）系统关机时（被动）。备注：下面示例实测不调用munmap也会写回到文件，保险起见还是主动同步数据到文件，详细的还未研究。

二、mmap示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>int main(void)
{int fd;fd = open("in.txt", O_RDWR|O_CREAT, S_IRUSR|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IWGRP|S_IROTH|S_IWOTH);if (-1 == fd){return -1;}void *result;result = mmap(0, 1024, \PROT_READ|PROT_WRITE, \MAP_SHARED, \fd, 0);if (result == (void *)-1) {printf("mmap failed: %s\n", strerror(errno));return -1;}close(fd);//映射完可以立即关闭fd，不应该映射及修改strncpy(result, "z", 1);munmap(0, 1024);return 0;
}

三、理论理解

彻底理解mmap()

Page Cache(页缓存)

mmap 内存映射详解

Linux mmap完全剖析

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