mmap（）应用实例及详解

原文地址：http://blog.csdn.net/ryder001/article/details/7966144

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  #include  #include  /*mmap munmap*/ #include  #include  #include  #include    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_mmap open("/tmp/file_mmap", O_RDWR|O_CREAT, 0600) = 3 //open，返回fd=3 fstat64(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=18, ...}) = 0 //fstat, 即文件大小18 mmap2(NULL, 18, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, 3, 0) = 0xb7867000 //mmap文件fd=3 close(3) = 0 //close文件fd=3 munmap(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中的内容已由改变成了 .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  #include  #include  #include  #include  #include  #include  #include    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.c open("/tmp/file_mmap", O_RDWR|O_CREAT, 0600) = 3 //open, fd=3 fstat64(3, {st_mode=S_IFREG|0644, st_size=18, ...}) = 0 //fstat, 其中文件大小18 brk(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, "\n", 18) = 18 //read lseek(3, 0, SEEK_SET) = 0 //lseek write(3, "\n", 18) = 18 //write close(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  #include  #include    int main(int argc, char *argv) { char *brk_mm, *mmap_mm;   ("-----------------------\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); ("-----------------------\n");   return 1; }   #gcc –o t_malloc t_malloc.c #strace ./t_malloc write(1, "-----------------------\n", 24-----------------------) = 24 brk(0) = 0x85ee000 brk(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  #include  #include  #include  #include  #include  #include  #include    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') ("%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  #include  #include  #include  #include  #include  #include  #include    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; ("%ld\thello world\n", (long)time(&now)); }   /* command 4 */ void job_simle() { time_t now; ("%ld\t^_^\n", (long)time(&now)); }   /* command 6 */ void job_bye() { time_t now; ("%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': ("%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。