Linux mmap内存映射
mmap 是 Linux 系统中一个非常重要且强大的系统调用，它提供了将文件或设备直接映射到进程地址空间的能力。这种机制在程序设计中用途广泛，从文件 I/O 到进程间通信，再到内存管理，都能看到它的身影。
核心概念
mmap 的核心思想是：让一块虚拟内存区域与一个文件（或其他对象）关联起来。当你读写这块内存时，系统会自动将数据同步到对应的文件中，或者从文件中加载数据到内存。这就像是给文件内容开了一个“直接操作”的窗口。
函数原型
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#include <sys/mman.h>void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);参数解析：
addr： 建议的映射起始地址。通常设为NULL，让内核自动选择最适合的地址。如果指定，内核会将其作为参考。length： 要映射的字节数。prot： 指定内存区域的保护模式（不能与文件的打开模式冲突）。PROT_EXEC： 页面可执行。PROT_READ： 页面可读。PROT_WRITE： 页面可写。PROT_NONE： 页面不可访问。
flags： 控制映射行为的标志。这是理解mmap用法的关键。MAP_SHARED： 共享映射。对映射区域的修改会写回文件，并且其他映射了同一文件的进程可以看到这些更改。用于文件 I/O 和 IPC。MAP_PRIVATE： 私有映射。对映射区域的修改不会写回文件，而是创建一个该页的副本（Copy-on-Write）。用于加载动态库、创建进程的私有内存空间。MAP_ANONYMOUS（或MAP_ANON）： 匿名映射。映射的区域不与任何文件关联，内容初始化为零。常用于分配大块内存（如malloc的底层实现）或 IPC。使用此标志时，fd参数被忽略，通常设为 -1。MAP_FIXED： 强制使用指定的addr作为映射地址，不建议使用，可能不安全。MAP_LOCKED： 将映射页面锁定在内存中，防止被换出（swap out）。MAP_POPULATE： 预先为映射填充页表，建立物理内存的映射，避免后续缺页中断。
fd： 要映射的文件的文件描述符。如果是匿名映射，则设为 -1。offset： 从文件开头开始的偏移量，必须是系统页大小（通常为 4096 字节）的整数倍。
返回值：
成功时返回映射区域的起始地址；失败时返回 MAP_FAILED（即 (void *) -1）。
解除映射：munmap
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#include <sys/mman.h>int munmap(void *addr, size_t length);用于解除一个映射关系。addr 必须是 mmap 返回的地址，length 是之前映射的大小。进程退出时也会自动解除所有映射。
同步回磁盘：msync
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#include <sys/mman.h>int msync(void *addr, size_t length, int flags);如果你使用 MAP_SHARED，内核会在适当时候将脏页写回磁盘。但如果你需要确保数据立刻落盘，可以调用 msync。
flags:MS_SYNC： 同步写，阻塞直到所有修改都物理写入存储设备。MS_ASYNC： 异步写，调度一次写操作但立即返回。
主要应用场景
1. 文件 I/O（内存映射文件）
这是最经典的用法。相比于传统的 read/write 系统调用，mmap 有显著优势：
减少数据拷贝： 传统 I/O 需要将数据从内核缓冲区拷贝到用户缓冲区。
mmap直接将文件映射到用户空间，操作内存就等于操作文件，省去了一次拷贝（CPU copy），尤其对大文件性能提升明显。随机访问更高效： 访问文件任意位置只需简单的指针操作，无需
lseek。与内核共享缓存： 映射区域由内核的页缓存（Page Cache）支持，可以充分利用系统的缓存机制。
示例代码：读取文件
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#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>int main() {int fd = open("example.txt", O_RDONLY);if (fd == -1) {perror("open");return 1;}struct stat sb;if (fstat(fd, &sb) == -1) {perror("fstat");return 1;}// 将整个文件映射到内存char *mapped = mmap(NULL, sb.st_size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);if (mapped == MAP_FAILED) {perror("mmap");return 1;}// 现在可以像操作内存一样操作文件内容for (off_t i = 0; i < sb.st_size; i++) {putchar(mapped[i]); // 逐个字符打印}// 解除映射并关闭文件munmap(mapped, sb.st_size);close(fd);return 0;
}2. 进程间通信 (IPC)
通过 mmap 可以实现高效的进程间共享内存。
方式一（有文件背景）： 两个进程使用
MAP_SHARED映射同一个文件。他们对映射区域的修改会立刻被对方看到。方式二（匿名映射）： 使用
MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS创建一块与文件无关的共享内存区域。通常由父进程在fork()之前创建，子进程会自然继承这块映射，从而实现通信。
示例代码：匿名共享内存 IPC
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#include <sys/mman.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/wait.h>int main() {int *shared_var = mmap(NULL, sizeof(int), PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);if (shared_var == MAP_FAILED) {perror("mmap");return 1;}*shared_var = 100; // 初始值pid_t pid = fork();if (pid == -1) {perror("fork");return 1;}if (pid == 0) { // 子进程printf("Child reads: %d\n", *shared_var);(*shared_var)++; // 修改共享内存printf("Child incremented to: %d\n", *shared_var);munmap(shared_var, sizeof(int)); // 子进程解除映射} else { // 父进程wait(NULL); // 等待子进程结束printf("Parent reads: %d\n", *shared_var);munmap(shared_var, sizeof(int)); // 父进程解除映射}return 0;
}// 输出可能是：
// Child reads: 100
// Child incremented to: 101
// Parent reads: 101
3. 分配大块内存（malloc 的底层）
glibc 中的 malloc() 函数在需要分配非常大（例如超过 MMAP_THRESHOLD，默认 128KB）的内存块时，会使用 mmap 而不是 brk/sbrk。因为 mmap 分配的内存可以独立且方便地被 free() 归还给系统，而 brk 管理的堆内存则容易产生碎片。
4. 加载动态共享库
当你调用 dlopen() 或程序启动时加载 .so 文件，系统就是使用 mmap 将库文件的代码段（.text）和数据段（.data, .bss）映射到进程的地址空间。这通常是 MAP_PRIVATE 映射，这样多个进程可以共享同一份库的物理内存页（写时复制），节省大量内存。
优点与缺点
优点：
高性能文件 I/O： 减少数据拷贝，尤其适合大文件或随机访问。
高效的 IPC： 共享内存是速度最快的 IPC 方式，因为数据不需要在进程间拷贝。
内存高效： 支持写时复制、共享库等高级特性，节省物理内存。
自然对齐： 映射的内存地址总是页对齐的。
缺点：
粒度不灵活： 映射大小必须是页大小的整数倍，可能造成内部碎片。
资源开销： 每次映射都会在进程内核数据结构（如 VMA 链表）中创建新条目，映射大量小文件不划算。
复杂性： 需要程序员自己处理同步问题（如对共享映射的访问需要加锁）。
延迟性错误： 对映射区域的访问可能触发 SIGBUS 或 SIGSEGV 信号（例如文件被截断时访问已映射的区域），错误处理比普通 I/O 更复杂。
总结
mmap 是 Linux 系统编程中一把强大的“瑞士军刀”。它通过巧妙地将文件、内存和进程地址空间结合起来，提供了远超传统 I/O 操作的灵活性和性能。理解并熟练运用 mmap，尤其是区分 MAP_SHARED、MAP_PRIVATE 和 MAP_ANONYMOUS 的用途，是成为一名高级 Linux/C 程序员的重要标志。