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来源：互联网 发布：mysql自增长主键使用 编辑：程序博客网 时间：2024/05/16 10:55
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linux mmap 内存映射
mmap() vs read()/write()/lseek()
通过strace统计系统调用的时候，经常可以看到mmap()与mmap2()。系统调用mmap()可以将某文件映射至内存(进程空间)，如此可以把对文件的操作转为对内存的操作，以此避免更多的lseek()与read()、write()操作，这点对于大文件或者频繁访问的文件而言尤其受益。但有一点必须清楚：mmap的addr与offset必须对齐一个内存页面大小的边界，即内存映射往往是页面大小的整数倍，否则maaped_file_size%page_size内存空间将被闲置浪费。
演示一下,将文件/tmp/file_mmap中的字符转成大写，分别使用mmap与read/write二种方法实现。
/** @file: t_mmap.c*/#include <stdio.h>#include <ctype.h>#include <sys/mman.h> /*mmap munmap*/#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <unistd.h> int main(int argc, char *argv[]){ int fd; char *buf; off_t len; struct stat sb; char *fname = "/tmp/file_mmap"; fd = open(fname, O_RDWR | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR); if (fd == -1) { perror("open"); return 1; } if (fstat(fd, &sb) == -1) { perror("fstat"); return 1; } buf = mmap(0, sb.st_size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); if (buf == MAP_FAILED) { perror("mmap"); return 1; } if (close(fd) == -1) { perror("close"); return 1; } for (len = 0; len < sb.st_size; ++len) { buf[len] = toupper(buf[len]); /*putchar(buf[len]);*/ } if (munmap(buf, sb.st_size) == -1) { perror("munmap"); return 1; } return 0;}#gcc –o t_mmap t_mmap.c#strace ./t_mmapopen("/tmp/file_mmap", O_RDWR|O_CREAT, 0600) = 3 //open，返回fd=3fstat64(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=18, ...}) = 0 //fstat, 即文件大小18mmap2(NULL, 18, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, 3, 0) = 0xb7867000 //mmap文件fd=3close(3) = 0 //close文件fd=3munmap(0xb7867000, 18) = 0 //munmap，移除0xb7867000这里的内存映射
虽然没有看到read/write写文件操作，但此时文件/tmp/file_mmap中的内容已由www.perfgeeks.com改变成了WWW.PERFGEEKS.COM .这里mmap的addr是0(NULL)，offset是18，并不是一个内存页的整数倍，即有4078bytes（4kb-18）内存空间被闲置浪费了。
#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <ctype.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <unistd.h> int main(int argc, char *argv[]){ int fd, len; char *buf; char *fname = "/tmp/file_mmap"; ssize_t ret; struct stat sb; fd = open(fname, O_CREAT|O_RDWR, S_IRUSR|S_IWUSR); if (fd == -1) { perror("open"); return 1; } if (fstat(fd, &sb) == -1) { perror("stat"); return 1; } buf = malloc(sb.st_size); if (buf == NULL) { perror("malloc"); return 1; } ret = read(fd, buf, sb.st_size); for (len = 0; len < sb.st_size; ++len) { buf[len] = toupper(buf[len]); /*putchar(buf[len]);*/ } lseek(fd, 0, SEEK_SET); ret = write(fd, buf, sb.st_size); if (ret == -1) { perror("error"); return 1; } if (close(fd) == -1) { perror("close"); return 1;}free(buf); return 0;}#gcc –o t_rw t_rw.copen("/tmp/file_mmap", O_RDWR|O_CREAT, 0600) = 3 //open, fd=3fstat64(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=18, ...}) = 0 //fstat, 其中文件大小18brk(0) = 0x9845000 //brk, 返回当前中断点brk(0x9866000) = 0x9866000 //malloc分配内存,堆当前最后地址read(3, "www.perfgeeks.com\n", 18) = 18 //readlseek(3, 0, SEEK_SET) = 0 //lseekwrite(3, "WWW.PERFGEEKS.COM\n", 18) = 18 //writeclose(3) = 0 //close
这里通过read()读取文件内容,toupper()后，调用write()写回文件。因为文件太小，体现不出read()/write()的缺点：频繁访问大文件，需要多个lseek()来确定位置。每次编辑read()/write()，在物理内存中的双份数据。当然，不可以忽略创建与维护mmap()数据结构的成本。需要注意：并没有具体测试mmap vs read/write，即不能一语断言谁孰谁劣，具体应用场景具体评测分析。你只是要记住：mmap内存映射文件之后，操作内存即是操作文件，可以省去不少系统内核调用(lseek, read, write)。
mmap() vs malloc()
使用strace调试的时候，通常可以看到通过mmap()创建匿名内存映射的身影。比如启用dl(‘apc.so’)的时候，就可以看到如下语句。
mmap2(NULL, 31457280, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb5ce7000 //30M
通常使用mmap()进行匿名内存映射，以此来获取内存，满足一些特别需求。所谓匿名内存映射，是指mmap()的时候,设置了一个特殊的标志MAP_ANONYMOUS，且fd可以忽略(-1)。某些操作系统(像FreeBSD)，不支持标志MAP_ANONYMOUS，可以映射至设备文件/dev/zero来实现匿名内存映射。使用mmap()分配内存的好处是页面已经填满了0，而malloc()分配内存后，并没有初始化，需要通过memset()初始化这块内存。另外，malloc()分配内存的时候，可能调用brk()，也可能调用mmap2()。即分配一块小型内存(小于或等于128kb)，malloc()会调用brk()调高断点，分配的内存在堆区域，当分配一块大型内存(大于128kb),malloc()会调用mmap2()分配一块内存，与堆无关，在堆之外。同样的，free()内存映射方式分配的内存之后，内存马上会被系统收回，free()堆中的一块内存，并不会马上被系统回收，glibc会保留它以供下一次malloc()使用。
这里演示一下malloc()使用brk()和mmap2()。
/** file:t_malloc.c*/#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h> int main(int argc, char *argv){ char *brk_mm, *mmap_mm; printf("-----------------------\n"); brk_mm = (char *)malloc(100); memset(brk_mm, '\0', 100); mmap_mm = (char *)malloc(500 * 1024); memset(mmap_mm, '\0', 500*1024); free(brk_mm); free(mmap_mm); printf("-----------------------\n"); return 1;} #gcc –o t_malloc t_malloc.c#strace ./t_mallocwrite(1, "-----------------------\n", 24-----------------------) = 24brk(0) = 0x85ee000brk(0x860f000) = 0x860f000 //malloc(100)mmap2(NULL, 516096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) = 0xb7702000 //malloc(5kb)munmap(0xb7702000, 516096) = 0 //free(), 5kb write(1, "-----------------------\n", 24-----------------------) = 24
通过malloc()分别分配100bytes和5kb的内存，可以看出其实分别调用了brk()和mmap2()，相应的free()也是不回收内存和通过munmap()系统回收内存。
mmap()共享内存,进程通信
内存映射mmap()的另一个外常见的用法是，进程通信。相较于管道、消息队列方式而言，这种通过内存映射的方式效率明显更高，它不需要任务数据拷贝。这里，我们通过一个例子来说明mmap()在进程通信方面的应用。我们编写二个程序，分别是master和slave，slave根据master不同指令进行不同的操作。Master与slave就是通过映射同一个普通文件进行通信的。
/* *@file master.c */root@liaowq:/data/tmp# cat master.c #include <stdio.h>#include <time.h>#include <stdlib.h>#include <sys/mman.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <unistd.h> void listen(); int main(int argc, char *argv[]){ listen(); return 0;} void listen(){ int fd; char *buf; char *fname = "/tmp/shm_command"; char command; time_t now; fd = open(fname, O_CREAT|O_RDWR, S_IRUSR|S_IWUSR); if (fd == -1) { perror("open"); exit(1); } buf = mmap(0, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); if (buf == MAP_FAILED) { perror("mmap"); exit(1); } if (close(fd) == -1) { perror("close"); exit(1); } *buf = '0'; sleep(2); for (;;) { if (*buf == '1' || *buf == '3' || *buf == '5' || *buf == '7') { if (*buf > '1') printf("%ld\tgood job [%c]\n", (long)time(&now), *buf); (*buf)++; } if (*buf == '9') { break; } sleep(1); } if (munmap(buf, 4096) == -1) { perror("munmap"); exit(1); }} /* *@file slave.c */#include <stdio.h>#include <time.h>#include <stdlib.h>#include <sys/mman.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <unistd.h> void ready(unsigned int t);void job_hello();void job_smile();void job_bye();char get_command(char *buf);void wait(); int main(int argc, char *argv[]){ wait(); return 0;} void ready(unsigned int t){ sleep(t);} /* command 2 */void job_hello(){ time_t now; printf("%ld\thello world\n", (long)time(&now));} /* command 4 */void job_simle(){ time_t now; printf("%ld\t^_^\n", (long)time(&now));} /* command 6 */void job_bye(){ time_t now; printf("%ld\t|<--\n", (long)time(&now));} char get_command(char *buf){ char *p; if (buf != NULL) { p = buf; } else { return '0'; } return *p;} void wait(){ int fd; char *buf; char *fname = "/tmp/shm_command"; char command; time_t now; fd = open(fname, O_RDWR|O_CREAT, S_IRUSR|S_IWUSR); if (fd == -1) { perror("open"); exit(1); } buf = mmap(0, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); if (buf == MAP_FAILED) { perror("mmap"); exit(1); } if (close(fd) == -1) { perror("close"); exit(1); } for (;;) { command = get_command(buf); /*printf("%c\n", command);*/ switch(command) { case '0': printf("%ld\tslave is ready...\n", (long)time(&now)); ready(3); *buf = '1'; break; case '2': job_hello(); *buf = '3'; break; case '4': job_simle(); *buf = '5'; break; case '6': job_bye(); *buf = '7'; break; default: break; } if (*buf == '8') { *buf = '9'; if (munmap(buf, 4096) == -1) { perror("munmap"); exit(1); } return; } sleep(1); } if (munmap(buf, 4096) == -1) { perror("munmap"); exit(1); }}
执行master与slave，输出如下
root@liaowq:/data/tmp# echo “0″ > /tmp/shm_command
root@liaowq:/data/tmp# ./master
1320939445 good job [3]
1320939446 good job [5]
1320939447 good job [7]
root@liaowq:/data/tmp# ./slave
1320939440 slave is ready…
1320939444 hello world
1320939445 ^_^
1320939446 |<--
master向slave发出job指令2,4,6。slave收到指令后，执行相关逻辑操作，完成后告诉master，master知道slave完成工作后，打印good job并且发送一下job指令。master与slave通信，是通过mmap()共享内存实现的。
总结
1、 Linux采用了投机取巧的分配策略，用到时，才分配物理内存。也就是说进程调用brk()或mmap()时，只是占用了虚拟地址空间，并没有真正占用物理内存。这也正是free –m中used并不意味着消耗的全都是物理内存。
2、 mmap()通过指定标志(flag) MAP_ANONYMOUS来表明该映射是匿名内存映射，此时可以忽略fd，可将它设置为-1。如果不支持MAP_ANONYMOUS标志的类unix系统，可以映射至特殊设备文件/dev/zero实现匿名内存映射。
3、 调用mmap()时就决定了映射大小，不能再增加。换句话说，映射不能改变文件的大小。反过来，由文件被映射部分，而不是由文件大小来决定进程可访问内存空间范围(映射时，指定offset最好是内存页面大小的整数倍)。
4、通常使用mmap()的三种情况.提高I/O效率、匿名内存映射、共享内存进程通信。
相关链接
1.高性能网络编程
2.内存管理内幕
3.C语言指针与内存泄漏
4.read系统调用剖析
5. linux环境进程间通信:共享内存
6. <<Linux系统编程>> <<unix网络编程2>>
