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[English version](/posts/c教程/en-US/07-Working Close to the System/066-Memory Mapping (mmap))

在前面的部分中，您学习了如何使用读取和写入文件read()和write()。这些系统调用在文件和 RAM 中的用户空间缓冲区之间移动数据。

但是，如果您可以将文件直接映射到内存中，然后将其视为进程地址空间的一部分呢？

这正是内存映射（通过mmap）确实如此，它更快、更灵活，并且构成了数据库、共享内存系统甚至虚拟内存本身的支柱。

步骤 1. 什么是 mmap？ ​

mmap()将文件或设备映射到内存中，以便您可以直接访问它，就像 RAM 中的数组一样。

#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
参数描述
addrHint for mapping address (usuallyNULL)
lengthNumber of bytes to map
prot保护：PROT_READ,PROT_WRITE等
flags类型：MAP_PRIVATE,MAP_SHARED等
fd要映射的文件描述符
offset文件中的起始偏移量（必须是页面大小的倍数）

步骤 2. 简单文件映射示例 ​

让我们将文件映射到内存并打印其内容。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
int main(void) {
    int fd = open("data.txt", O_RDONLY);
    if (fd == -1) { perror("open"); return 1; }
    struct stat st;
    fstat(fd, &st);
    char *data = mmap(NULL, st.st_size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
    if (data == MAP_FAILED) { perror("mmap"); return 1; }
    write(STDOUT_FILENO, data, st.st_size);
    munmap(data, st.st_size);
    close(fd);
}

编译并运行：

gcc mmap_read.c -o mmap_read
./mmap_read

这个直接打印文件内容，没有循环，没有read()来电。

第三步：阅读与写作 ​

如果要通过内存修改文件，则必须以读写方式打开它并使用PROT_WRITE.

#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
int main(void) {
    int fd = open("memo.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0666);
    ftruncate(fd, 64); // ensure file has enough size
    char *map = mmap(NULL, 64, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (map == MAP_FAILED) return 1;
    strcpy(map, "Hello, memory-mapped file!");
    msync(map, 64, MS_SYNC);
    munmap(map, 64);
    close(fd);
}

打开memo.txt，您将立即看到书面文字。

-MAP_SHARED：更改被写回文件。 -MAP_PRIVATE：写入时复制（更改仅对此进程可见）。

步骤 4. 匿名映射 ​

您可以创建不与任何文件绑定的内存，纯粹在 RAM 中。

#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main(void) {
    size_t len = 4096;
    int *arr = mmap(NULL, len, PROT_READ | PROT_WRITE,
                    MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
    if (arr == MAP_FAILED) return 1;
    arr[0] = 1234;
    printf("arr[0] = %d\n", arr[0]);
    munmap(arr, len);
}

输出：

arr[0] = 1234

匿名映射通常用于动态内存区域或进程之间的共享内存。

步骤 5. 进程之间共享内存 ​

您可以使用MAP_SHARED和fork()让父进程和子进程共享相同的映射内存。

#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main(void) {
    int *shared = mmap(NULL, sizeof(int),
                       PROT_READ | PROT_WRITE,
                       MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS,
                       -1, 0);
    *shared = 0;
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        (*shared)++;
        printf("Child: shared = %d\n", *shared);
    } else {
        sleep(1);
        printf("Parent: shared = %d\n", *shared);
    }
    munmap(shared, sizeof(int));
}

输出：

Child: shared = 1
Parent: shared = 1

两个进程看到相同的内存，不需要管道或套接字。

步骤 6. 内存保护 ​

使用PROT_*控制访问的标志：

-PROT_READ→ 允许读取 -PROT_WRITE→ 允许写入 -PROT_EXEC→ 可执行文件 -PROT_NONE→ 无法访问

您可以稍后更改权限：

mprotect(ptr, len, PROT_READ);

这可以帮助您模拟“只读”数据区域或有意测试分段错误。

步骤 7. 页面大小和对齐方式 ​

内存以页为单位进行映射（通常为 4096 字节）。 You can get your system’s page size:

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main(void) {
    printf("Page size: %ld bytes\n", sysconf(_SC_PAGESIZE));
}

偏移量为mmap必须与页面大小对齐。

步骤 8. 取消映射和同步 ​

当您完成映射区域后，请始终调用：

munmap(addr, length);

如果您修改了数据：

msync(addr, length, MS_SYNC);

这可确保更改被写回磁盘。

步骤 9. 使用 mmap 提高性能 ​

优于read()和write():

  • 避免内核和用户空间之间的额外数据复制。
  • 操作系统仅加载您触摸的页面（延迟加载）。
  • 有效地随机访问大文件。

数据库、编辑器和浏览器（如 SQLite、Vim、Chrome）严重依赖mmap为了性能。

小代码：计算大文件中的行数 ​

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
int main(void) {
    int fd = open("bigfile.txt", O_RDONLY);
    struct stat st;
    fstat(fd, &st);
    char *data = mmap(NULL, st.st_size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
    size_t lines = 0;
    for (size_t i = 0; i < st.st_size; i++)
        if (data[i] == '\n') lines++;
    printf("Lines: %zu\n", lines);
    munmap(data, st.st_size);
    close(fd);
}

在多 GB 文件上运行它，它的执行速度会非常快。

第 10 步：为什么它很重要 ​

mmap打开内存驱动文件访问的新世界：

  • 由操作系统用来加载可执行文件、共享库和页面。
  • 为数据库、编译器和搜索引擎提供支持。
  • 启用进程之间的共享内存。
  • 减少大文件的 I/O 开销。

它是文件和内存之间的桥梁，统一了 C 和 Unix 中的两个关键抽象。

自己尝试一下 ​

1.编写一个文件并使用以下命令就地修改它mmap. 2. 在父进程和子进程之间创建共享内存MAP_SHARED. 3. 测量之间的性能差异read()和mmap. 4. 使用与页面大小对齐的偏移量仅映射文件的一部分。 5. 实现一个小型内存键值存储mmap.

接下来，您将探索如何在 C 中使用时间和时钟、检索系统时间戳、测量持续时间以及精确实现计时器。

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