mmap()

定义

mmap： 使一个磁盘文件与内存中的一个缓冲区相映射。从缓冲区中取数据，就相当于读文件中的相应字节；将数据写入缓冲区，则会将数据写入文件。这样，就可在不使用read和write函数的情况下，使用地址（指针）完成I/O操作。即操作内存=操作文件

mmap设计的目的有两个

• 共享内存（进程间通信）
• 像读写内存一样读写普通文件

为什么使用 mmap()

Linux通过内存映像机制来提供用户程序对内存直接访问的能力。内存映像的意思是把内核中特定部分的内存空间映射到用户级程序的内存空间去。也就是说，用户空间和内核空间共享一块相同的内存。这样做的直观效果显而易见：内核在这块地址内存储变更的任何数据，用户可以立即发现和使用，根本无须数据拷贝。举个例子理解一下，使用mmap方式获取磁盘上的文件信息，只需要将磁盘上的数据拷贝至那块共享内存中去，用户进程可以直接获取到信息，而相对于传统的write/read　IO系统调用, 必须先把数据从磁盘拷贝至到内核缓冲区中(页缓冲)，然后再把数据拷贝至用户进程中。两者相比，mmap会少一次拷贝数据，这样带来的性能提升是巨大的。

使用内存访问来取代read()和write()系统调用能够简化一些应用程序的逻辑。
在一些情况下，它能够比使用传统的I/O系统调用执行文件I/O这种做法提供更好的性能。
原因是：

• 正常的read()或write()需要两次传输：一次是在文件和内核高速缓冲区之间，另一次是在高速缓冲区和用户空间缓冲区之间。使用mmap()就不需要第二次传输了。对于输入来讲，一旦内核将相应的文件块映射进内存之后，用户进程就能够使用这些数据了；对于输出来讲，用户进程仅仅需要修改内核中的内容，然后可以依靠内核内存管理器来自动更新底层的文件。
• 除了节省内核空间和用户空间之间的一次传输之外，mmap()还能够通过减少所需使用的内存来提升性能。当使用read()或write()时，数据将被保存在两个缓冲区中：一个位于用户空间，另个一位于内核空间。当使用mmap()时，内核空间和用户空间会共享同一个缓冲区。此外，如果多个进程正在同一个文件上执行I/O，那么它们通过使用mmap()就能够共享同一个内核缓冲区，从而又能够节省内存的消耗。

两种映射关系

1 基于文件的映射

适用于任何进程之间, 此时，需要打开或创建一个文件，然后再调用mmap(), 典型调用代码如下：

这样用户进程就可以像读取内存一样读取文件了,效率非常高。

int main()
{
    //打开要映射到内存的文件
    int fd= open("./printf.log", O_RDWR);
    int len= lseek(fd, 0 , SEEK_END);
    //建立共享映射区
    void * addr= mmap(NULL, len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (addr==MAP_FAILED)//建立失败函数返回MAP_FAILED宏
    {
        perror("mmap error");
        return -1;
    }
    //写
    memcpy(addr,"HEllo test", sizeof("HEllo test"));

    printf("1");
}

2 匿名映射

匿名映射：不需要文件，但是只能用于父子间进程通信。

在具有血缘关系的进程之间，如父子进程之间,　当一个进程调用mmap().之后又调用了fork(), 之后子进程会继承(拷贝)父进程映射后的空间，同时也继承了mmap()的返回地址，通过修改数据共享内存里的数据,　父子进程够可以感知到数据的变化，这样一来，父子进程就可以通过这块共享内存来实现进程间通信。

mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED |
MAP_ANONYMOUS , -1, 0);

ptr = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED |
MAP_ANONYMOUS , -1, 0);

pid = fork();
switch (pid)
{
    
	case pid < 0:
		printf ("err\n");
	case pid = 0:
     	/* 使用互斥的方式访问共享内存 */
	 	lock(ptr)
	 	修改数据；
	 	unlock(ptr);
	case pid > 0:
	 	/* 使用互斥的方式访问共享内存 */
	 	lock(ptr)
	 	修改数据；
	 	unlock(ptr);
}

mmap()优缺点总结

mmap()的优点

• 对文件的读取操作跨过了内核缓冲区，减少了数据的拷贝次数，用内存读写取代I/O读写，提高了文件读取效率。
• 实现了用户空间和内核空间的高效交互方式。两空间的各自修改操作可以直接反映在映射的区域内，从而被对方空间及时捕捉。
  mmap映射的页和其它的页并没有本质的不同.
  所以得益于主要的3种数据结构的高效，其页映射过程也很高效：
  (1) radix tree，用于查找某页是否已在缓存.
  (2) red black tree ，用于查找和更新vma结构.
  (3) 双向链表，用于维护active和inactive链表，支持LRU类算法进行内存回收.
• 提供进程间共享内存及相互通信的方式。不管是父子进程还是无亲缘关系的进程，都可以将自身用户空间映射到同一个文件或匿名映射到同一片区域。从而通过各自对映射区域的改动，达到进程间通信和进程间共享的目的。同时，如果进程A和进程B都映射了区域C，当A第一次读取C时通过缺页从磁盘复制文件页到内存中；但当B再读C的相同页面时，虽然也会产生缺页异常，但是不再需要从磁盘中复制文件过来，而可直接使用已经保存在内存中的文件数据。
• 可用于实现高效的大规模数据传输。内存空间不足，是制约大数据操作的一个方面，解决方案往往是借助硬盘空间协助操作，补充内存的不足。但是进一步会造成大量的文件I/O操作，极大影响效率。这个问题可以通过mmap映射很好的解决。换句话说，但凡是需要用磁盘空间代替内存的时候，mmap都可以发挥其功效。

mmap()的缺点

• 对变长文件不适合.
• 如果更新文件的操作很多，mmap两次拷贝的优势就没有了，最终还是落在了大量的脏页回写及由此引发的随机IO上.　所以在随机写很多的情况下，mmap方式在效率上不一定会比带缓冲区的一般写快.