内存映射

内存映射

通过 mmap 系统调用，可以将文件映射到进程地址空间进行读写。

这样一来，文件读写就跟内存操作一样直观，无需繁琐的 IO 操作代码。内核负责在内存和磁盘之间同步数据，应用程序开发者完全不用关心其中的细节。此外，IO 系统调用的避免，或多或少提高了程序的执行效率。

接下来，我们以文件存储结构体为例，演示 mmap 系统调用的用法。

结构体定义如下：

student_info

#define NAME_LEN_LIMIT 32
struct student_info
{
    char name[NAME_LEN_LIMIT];
    int age;
    int score;
};

读写映射

例子代码是一个函数，将结构体写入到给定文件中，文件路径以及结构体字段均由函数参数给出：

write_info

/**
 * Use system call mmap to write struct to file
 *
 * Arguments
 *     path: path of the file for writing
 *
 * Returns
 *     0 if success, -1 if some error happened.
 **/
int write_info(char *path, char *name, int age, int score)
{
    // open file in read-write mode
    // if exists, truncate it; else, create with 644
    int fd = open(
        path,
        O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,
        S_IRUSR|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IROTH
    );
    if (fd == -1) {
        perror("fail to open file");
        return -1;
    }
    // if no enough space, expand it
    if (expand_file(fd, sizeof(struct student_info)) == -1) {
        return -1;
    }
    // map the opened file to memory area
    struct student_info *infop = (struct student_info *)mmap(
        NULL,
        sizeof(struct student_info),
        PROT_WRITE,
        MAP_SHARED,
        fd,
        0
    );
    if (infop == MAP_FAILED) {
        perror("fail to map file");
        return -1;
    }
    // copy name string
    strncpy(infop->name, name, NAME_LEN_LIMIT-1);
    infop->name[NAME_LEN_LIMIT-1] = '\0';
    // set other fields
    infop->age = age;
    infop->score = score;
    return 0;
}

该函数先调用 open 系统调用以 读写模式 打开文件并清空(第 14 行处)，文件不存在则创建，权限位为 644 。

然后调用 expand_file 函数扩展文件长度，确保至少能容纳一个 student_info 结构体( 第 25 行处 )。expand_file 设计细节不再深入讨论，请自行查看代码：mmio.c

接着调用 mmap 系统调用将文件映射进内存中(第 30 行处)。 mmap 各个参数说明如下：

addr ，内存起始地址，指定为 NULL 则由内核自行分配；
len ，内存映射区区长度；
prot ，内存区访问权限；
flags ， 映射类型 标志位；
fd ，被映射文件描述符；
offset ，被映射文件偏移量；

其中，内存区访问权限可以是以下值的或操作组合：

PROT_NONE ，内存页 不可访问 ；
PROT_READ ，内存页可读；
PROT_WRITE ，内存页可写；
PROT_EXEC ，内存页 可执行 ；

映射类型 决定内存区修改是否对其他进程可见，以及是否应用至原文件：

MAP_SHARED ，修改对其他进程可见，并同步到文件；
MAPPRIVATE ，创建 私有写复制 ( _copy-on-write )映射，因此修改对其他进程不可见，也不同步至文件；

映射完毕后，对结构体的操作将被应用到文件(第 44-49 行)。

只读映射

只读映射与读写映射类似：

mmio.c

/**
 * Use mmap to read struct from file
 *
 * Arguments
 *     path: path of the file for reading
 *
 * Returns
 *     0 if success, -1 if some error happened.
 **/
int read_info(char *path)
{
    // open file in read only mode
    int fd = open(path, O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("fail to open file");
        return -1;
    }
    // map the opened file to memory area
    struct student_info *infop = (struct student_info *)mmap(
        NULL,
        sizeof(struct student_info),
        PROT_READ,
        MAP_SHARED,
        fd,
        0
    );
    if (infop == NULL) {
        perror("fail to map file");
        return -1;
    }
    // print info
    printf("Name: %s\n", infop->name);
    printf("Age: %d\n", infop->age);
    printf("Score: %d\n", infop->score);
    return 0;
}

不同的地方在于：

文件可以以只读模式打开(第 13 行处)；
mmap 系统调用 prot 参数指定为 PROT_READ ；文件映射完毕后，即可直接访问结构体字段并输出，非常直观、便捷！

程序演示

下面，运行 mmio 程序，以读写模式映射文件并写入数据记录：

$ ./mmio fasion.data 'Fasion Chan' 28 8

注意到，当前目录确实出现了我们写入的文件：

$ ls
fasion.data  mmio  mmio.c

运行 hexdump 命令查看文件内容：

$ hexdump -C fasion.data
00000000  46 61 73 69 6f 6e 20 43  68 61 6e 00 00 00 00 00  |Fasion Chan.....|
00000010  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
00000020  1c 00 00 00 08 00 00 00                           |........|
00000028

前两行为 name 字段，总共 32 字节，为以 0 结尾的字符串；最后一行为 age 以及 score 字段，均是 4 字节长整型，二进制内容表明这正是我们写入的。

接着，我们运行 mmio 程序，以只读模式映射文件并输出内容：

$ ./mmio fasion.data
Name: Fasion Chan
Age: 28
Score: 8

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