`mmap` 系统调用详解

mmap 是 Unix/Linux 系统中一个强大且多用途的系统调用，用于将文件或设备映射到进程的地址空间，实现内存映射I/O。

1. 函数的概念与用途

mmap（内存映射）函数允许程序将文件或其他对象直接映射到其地址空间，这样文件内容就可以通过内存指针直接访问，而不需要使用传统的 read/write 系统调用。

主要用途：

• 文件I/O优化：提供对文件的高效随机访问，避免频繁的 read/write 系统调用
• 进程间通信：通过映射同一文件实现共享内存
• 内存分配：用于实现高效的内存分配器（如 malloc）
• 程序加载：用于加载可执行文件和共享库
• 零拷贝I/O：在某些情况下可以实现零拷贝网络传输

2. 函数的声明与出处

mmap 函数定义在 <sys/mman.h> 头文件中，是 POSIX 标准的一部分。

#include <sys/mman.h>void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

3. 返回值的含义与取值范围

• 成功时：返回映射区域的起始地址
• 失败时：返回 MAP_FAILED（通常是 (void *)-1），并设置 errno 来指示错误原因

常见错误码 (errno)：

• EACCES：文件描述符不支持所请求的访问类型
• EAGAIN：文件已被锁定，或太多内存被锁定
• EBADF：文件描述符无效
• EINVAL：参数无效（如长度为零、不支持的保护或标志）
• ENFILE：已达到系统对打开文件总数的限制
• ENODEV：文件所在文件系统不支持内存映射
• ENOMEM：没有可用内存，或进程超出内存映射限制
• EPERM：操作被拒绝（如尝试写入只写区域）

4. 参数的含义与取值范围

1. void *addr

   • 含义：建议的映射起始地址（通常设为 NULL，由内核自动选择）
   • 取值范围：任何有效的地址或 NULL

2. size_t length

   • 含义：要映射的字节数
   • 取值范围：大于 0 的值

3. int prot

   • 含义：内存保护标志，指定访问权限
   • 常见取值（使用按位或组合）：
     • PROT_NONE：页面不可访问
     • PROT_READ：页面可读
     • PROT_WRITE：页面可写
     • PROT_EXEC：页面可执行

4. int flags

   • 含义：映射类型和选项
   • 常见取值（使用按位或组合）：
     • MAP_SHARED：共享映射，修改对其他进程可见
     • MAP_PRIVATE：私有映射，修改不会写回文件
     • MAP_ANONYMOUS：不映射文件，创建匿名内存
     • MAP_FIXED：必须使用指定地址
     • MAP_LOCKED：锁定页面在内存中

5. int fd

   • 含义：要映射的文件描述符
   • 取值范围：有效的文件描述符（对于匿名映射，设为 -1）

6. off_t offset

   • 含义：文件中的偏移量，必须是系统页面大小的倍数
   • 取值范围：非负值，通常是页面大小的倍数

5. 函数使用案例

案例1：文件映射与读取

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main() {const char *filename = "example.txt";const int file_size = 1024;// 创建并写入示例文件int fd = open(filename, O_RDWR | O_CREAT, 0644);if (fd == -1) {perror("open");exit(EXIT_FAILURE);}// 调整文件大小if (ftruncate(fd, file_size) == -1) {perror("ftruncate");close(fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 映射文件到内存char *mapped = mmap(NULL, file_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);if (mapped == MAP_FAILED) {perror("mmap");close(fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 通过内存访问文件内容const char *message = "Hello, mmap!";strncpy(mapped, message, strlen(message));printf("File content via mmap: %s\n", mapped);// 取消映射并关闭文件if (munmap(mapped, file_size) == -1) {perror("munmap");}close(fd);return 0;
}

案例2：进程间共享内存

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>#define SHM_SIZE 1024int main() {// 创建共享内存区域（匿名映射）char *shared_mem = mmap(NULL, SHM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);if (shared_mem == MAP_FAILED) {perror("mmap");exit(EXIT_FAILURE);}pid_t pid = fork();if (pid == -1) {perror("fork");exit(EXIT_FAILURE);}if (pid == 0) {  // 子进程printf("Child process writing to shared memory\n");strcpy(shared_mem, "Message from child process");exit(EXIT_SUCCESS);} else {         // 父进程wait(NULL);  // 等待子进程结束printf("Parent process reading from shared memory: %s\n", shared_mem);// 清理if (munmap(shared_mem, SHM_SIZE) == -1) {perror("munmap");}}return 0;
}

案例3：高效大数据处理

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>#define FILE_SIZE (1024 * 1024 * 100)  // 100MBint main() {const char *filename = "large_file.bin";int fd = open(filename, O_RDWR | O_CREAT, 0644);if (fd == -1) {perror("open");exit(EXIT_FAILURE);}// 调整文件大小if (ftruncate(fd, FILE_SIZE) == -1) {perror("ftruncate");close(fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 映射文件char *mapped = mmap(NULL, FILE_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);if (mapped == MAP_FAILED) {perror("mmap");close(fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 使用内存映射进行高效处理clock_t start = clock();for (size_t i = 0; i < FILE_SIZE; i++) {mapped[i] = (char)(i % 256);  // 填充数据}clock_t end = clock();double elapsed = (double)(end - start) / CLOCKS_PER_SEC;printf("Processed %d MB in %.2f seconds (%.2f MB/s)\n", FILE_SIZE / (1024 * 1024), elapsed, (FILE_SIZE / (1024.0 * 1024.0)) / elapsed);// 清理if (munmap(mapped, FILE_SIZE) == -1) {perror("munmap");}close(fd);remove(filename);  // 删除临时文件return 0;
}

6. 编译方式与注意事项

编译命令：

gcc -o mmap_example1 mmap_example1.c
gcc -o mmap_example2 mmap_example2.c
gcc -o mmap_example3 mmap_example3.c

注意事项：

1. 权限检查：确保对映射的文件有适当的访问权限
2. 对齐要求：offset 参数必须是系统页面大小的倍数（可用 sysconf(_SC_PAGE_SIZE) 获取）
3. 资源清理：始终使用 munmap() 取消映射，并使用 close() 关闭文件描述符
4. 错误处理：始终检查返回值并处理可能的错误
5. 同步：对于共享映射，修改可能不会立即写回文件，可使用 msync() 强制同步
6. 内存保护：注意设置适当的保护标志，避免安全漏洞
7. 可移植性：不同系统可能有不同的页面大小和限制

7. 执行结果说明

案例1输出：

File content via mmap: Hello, mmap!

这个示例创建了一个文件，通过内存映射写入内容，然后读取并显示内容。

案例2输出：

Child process writing to shared memory
Parent process reading from shared memory: Message from child process

这个示例演示了父子进程如何通过匿名映射共享内存区域。

案例3输出：

Processed 100 MB in 0.15 seconds (666.67 MB/s)

这个示例展示了使用内存映射处理大文件的高效性，通过直接内存访问避免了频繁的系统调用。

8. 图文总结

以下是 mmap 系统调用的工作流程：

关键点总结：

1. mmap 提供了一种高效的文件访问方式，避免了频繁的 read/write 系统调用
2. 支持文件映射和匿名映射两种模式，分别用于文件I/O和进程间通信
3. 采用惰性加载机制，只有在实际访问时才会将数据加载到内存
4. 对于共享映射，修改可能会自动写回文件（取决于标志）
5. 必须正确使用 munmap() 释放映射区域，避免资源泄漏
6. 适当设置保护标志和映射选项对性能和安全性至关重要

mmap 是一个强大的系统调用，正确使用可以显著提高I/O性能，但需要仔细考虑内存管理和同步问题。