Linux C\C++编程-建立文件和内存映射

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所谓文件和内存映射，就是将普通文件映射到进程地址空间，然后进程就可以像访问普通内存一样对文件进行访问，而不必再进行调用read或write等操作。系统提供了函数mmap将普通文件映射到内存中，该函数声明如下：

void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

其中，参数start为映射区的起始地址，通常为NULL（或0），表示由系统自己决定映射到什么地址；length表示映射数据的长度，即文件需要映射到内存中的数据的大小；prot表示映射区保护方式，取下列某个值或者它们的组合：

• PROT_EXEC：映射区可被执行。
• PROT_READ：映射区可读取。
• PROT_WRITE：映射区可写入。
• PROT_NONE：映射区不可访问。

参数flags用来指定映射对象的类型、映射选项和映射页是否可以共享，它的值可以是一个或者多个位的组合，可选值如下：

• MAP_FIXED：如果参数start指定了需要映射到的地址，而所指定的地址无法成功建立映射，映射就会失败。通常不推荐使用此设置，而是将start设置为NULL（或0），由系统自动选取映射地址。
• MAP_SHARED：共享映射区域，映射区域允许其他进程共享，对映射区域写入数据将会写入原来的文件中。
• MAP_RIVATE：对映射区域进行写入操作时会产生一个映射文件的复制，即写入复制（copy on write），而读操作不会影响此复制。对此映射区的修改不会写回原来的文件，即不会影响原来文件的内容。
• MAP_ANONYMOUS：建立匿名映射，映射区不与任何文件关联，而且映射区无法与其他进程共享。
• MA_DENYWRITE：对文件的写入操作将被禁止，不允许直接对文件进行操作。
• MAP_LOCKED：将映射区锁定，防止页面被交换出内存。

参数flags必须为MAP_SHARED或者MAP_PRIVATE二者之一的类型。MAP_SHARED类型表示多个进程使用的是一个内存映射的副本，任何一个进程都可以对此映射进行修改，其他的进程对其修改是可见的。而 MAP_PRIVATE则是多个进程使用的文件内存映射，在写入操作后，会复制一个副本给修改的进程，多个进程之间的副本是不一致的。

参数fd表示文件描述符，一般由open()函数返回；参数offset表示被映射数据在文件中的起点。

mmap()映射后，让用户程序直接访问设备内存，相较于在用户空间和内核空间互相复制数据，其效率更高，因此在要求高性能的应用中比较常用。mmap映射内存必须是页面大小的整数倍，面向流的设备不能进行mmap，mmap的实现和硬件有关。

下面这个例子显示了把文件映射到内存的方法。

【例4.11】文件与内存映射

（1）打开Visual Studio Code，新建文本文件，输入代码如下：

#include <sys/mman.h> /* for mmap and munmap */  
#include <sys/types.h> /* for open */  
#include <sys/stat.h> /* for open */  
#include <fcntl.h>     /* for open */  
#include <unistd.h>    /* for lseek and write */  
#include <stdio.h>  
  
int main(int argc, char **argv)  
{  
	int fd;  
	char *mapped_mem, * p;  
	int flength = 1024;  
	void * start_addr = 0;  
  
	fd = open(argv[1], O_RDWR | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR);  
	flength = lseek(fd, 1, SEEK_END);  
	write(fd, "\0", 1); /* 在文件最后添加一个空字符，以便下面的printf正常工作 */  
	lseek(fd, 0, SEEK_SET);  
	mapped_mem =(char*) mmap(start_addr,
		flength,
		PROT_READ,        			// 允许读  
		MAP_PRIVATE,       			// 不允许其他进程访问此内存区域  
		fd,
		0);  
      
	/* 使用映射区域 */  
	printf("%s\n", mapped_mem); /* 为了保证这里工作正常，参数传递的文件名最好是一个文本文件 */  
	close(fd);  
	munmap(mapped_mem, flength);  
	return 0;  
}  

（2）保存代码为test.cpp，上传到Linux，在命令行下编译并运行：

# g++ test.cpp -o test
# ./test myfile.txt 
hello
boy

可以发现，程序把文件中的内容映射到内存后，再把该内存区域打印出来，显示的正是文件中的内容。其中，myfile.txt是自己新建的文本文件。

上面的方法因为用了PROT_READ，所以只能读取文件里的内容，不能修改，如果换成PROT_WRITE，就可以修改文件的内容了；又由于用了MAAP_PRIVATE，因此此进程只能使用此内存区域，若换成MAP_SHARED，则可以被其他进程访问，请看下例。

【例4.12】修改文件的内存映像

（1）打开Visual Studio Code，新建文本文件，输入代码如下：

#include <sys/mman.h> /* for mmap and munmap */  
#include <sys/types.h> /* for open */  
#include <sys/stat.h> /* for open */  
#include <fcntl.h>     /* for open */  
#include <unistd.h>    /* for lseek and write */  
#include <stdio.h>  
#include <string.h> /* for memcpy */  
      
int main(int argc, char **argv)  
{  
	int fd;  
	char *mapped_mem, * p;  
	int flength = 1024;  
	void * start_addr = 0;  
      
	fd = open(argv[1], O_RDWR | O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR);  
	flength = lseek(fd, 1, SEEK_END);  
	write(fd, "\0", 1); // 在文件最后添加一个空字符，以便下面的printf正常工作 
	lseek(fd, 0, SEEK_SET);  
	start_addr = (void*)0x80000;  
	mapped_mem = (char*)mmap(start_addr,
		flength,
		PROT_READ|PROT_WRITE,        // 允许写入  
		MAP_SHARED,       // 允许其他进程访问此内存区域  
		fd,
		0);  
      
    // 使用映射区域
	printf("%s\n", mapped_mem); // 为了保证这里正常工作，参数传递的文件名最好是一个文本文件  
	while ((p = strstr(mapped_mem, "hello"))) { // 此处来修改文件内容，hello必须在文件中已经有了
		memcpy(p, "Linux", 5);  // 我们把hello改为Linux
		p += 5;  
	}  
          
	close(fd);  
	munmap(mapped_mem, flength);  
	return 0;  
}  

（2）保存代码为test.cpp，上传到Linux，在命令行下编译并运行：

# g++ test.cpp -o test
# ./test myfile.txt 
hello
boy

再次查看myfile.txt，可以发现内容变了：

# cat myfile.txt 
Linux
boy

说明我们修改内存映像成功了。