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 <stdio.h>
#include <ctype.h>
#include <sys/mman.h> /*mmap munmap*/
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
 
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 <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <ctype.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
 
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 <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
 
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 <stdio.h>
#include <time.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
 
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 <stdio.h>
#include <time.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
 
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. <<Linux系统编程>> <<unix网络编程2>>