Linux mmap文件内存映射完全指南

1. mmap是什么？

mmap是Linux提供的一个系统调用（函数原型：void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);），它创建一个新的映射到进程地址空间中。映射可以是文件映射或匿名映射（不关联文件）。本文聚焦于文件内存映射，即通过mmap将磁盘文件的部分内容映射到内存，之后对内存的读写会自动同步到文件（取决于同步策略）。

2. 为什么需要mmap？

传统文件I/O（如fread）需要经过内核缓冲区（页缓存），再拷贝到用户空间，存在两次数据拷贝。而mmap将页缓存直接映射到用户空间，用户读写操作直接与页缓存交互，省去了内核到用户空间的拷贝（但仍有缺页中断等开销）。对于大文件的随机访问，内存映射文件能显著提升性能。

3. mmap的使用步骤

• 打开文件：使用open()获取文件描述符。
• 指定映射：调用mmap，设置起始地址（通常NULL让内核选择）、映射长度、保护权限（PROT_READ/PROT_WRITE）、标志（如MAP_SHARED表示修改会写回文件）、文件描述符和偏移量。
• 访问内存：通过返回的指针读写映射区域。
• 解除映射：使用munmap()释放。

下面是一个简单的C语言示例，将文件映射后修改第一个字节：

    #include #include #include #include #include int main() {int fd = open("test.txt", O_RDWR);struct stat sb;fstat(fd, &sb);char *map = mmap(NULL, sb.st_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);if (map == MAP_FAILED) {perror("mmap");return 1;}close(fd);  // 映射后可以关闭文件描述符map[0] = "A";  // 修改内存，同步到文件munmap(map, sb.st_size);return 0;}  

4. mmap的注意事项

• 文件大小：映射不能超过文件大小（但可以用ftruncate扩展文件后再映射）。
• 对齐：偏移量offset必须是页大小（通常是4KB）的整数倍。
• 同步：MAP_SHARED的修改会在munmap或msync时写回磁盘；MAP_PRIVATE则不会写回。
• 错误处理：检查返回值是否为MAP_FAILED。
• 内存消耗：映射大文件时，虚拟地址空间会相应增大，但物理内存按需加载。

5. 应用场景

• 数据库管理系统（如SQLite）使用mmap管理数据文件。
• 大文件快速检索：将索引文件映射到内存，实现随机访问。
• 进程间通信：共享内存映射可实现高效IPC。
• 动态库加载：ld.so通过mmap将共享库映射到进程空间。

总之，mmap是Linux系统编程中不可或缺的工具，掌握它能让你写出更高效的I/O代码。对于Python开发者，也可以使用mmap模块轻松体验内存映射文件的便利。

—— 本文关键词：mmap, 文件内存映射, 内存映射文件, Linux系统编程 ——