linux mmap 内存映射 mmap() vs read()/write()/lseek()
From: http://www.perfgeeks.com/?p=723
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www.perfgeeks.com改变成了WWW.PERFGEEKS.COM .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, "www.perfgeeks.com\n", 18) = 18 //read
lseek(3, 0, SEEK_SET) = 0 //lseek
write(3, "WWW.PERFGEEKS.COM\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;
printf("-----------------------\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);
printf("-----------------------\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')
printf("%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;
printf("%ld\thello world\n", (long)time(&now));
}
/* command 4 */
void job_simle()
{
time_t now;
printf("%ld\t^_^\n", (long)time(&now));
}
/* command 6 */
void job_bye()
{
time_t now;
printf("%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':
printf("%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。
相关链接
1.高性能网络编程
2.内存管理内幕
3.C语言指针与内存泄漏
4.read系统调用剖析
5. linux环境进程间通信:共享内存
6. <