mmap 是 Unix/Linux 系統中一個強大且多用途的系統調用，用于將文件或設備映射到進程的地址空間，實現內存映射I/O。

1. 函數的概念與用途

mmap（內存映射）函數允許程序將文件或其他對象直接映射到其地址空間，這樣文件內容就可以通過內存指針直接訪問，而不需要使用傳統的 read/write 系統調用。

主要用途：

• 文件I/O優化：提供對文件的高效隨機訪問，避免頻繁的 read/write 系統調用
• 進程間通信：通過映射同一文件實現共享內存
• 內存分配：用于實現高效的內存分配器（如 malloc）
• 程序加載：用于加載可執行文件和共享庫
• 零拷貝I/O：在某些情況下可以實現零拷貝網絡傳輸

2. 函數的聲明與出處

mmap 函數定義在 <sys/mman.h> 頭文件中，是 POSIX 標準的一部分。

#include <sys/mman.h>void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

3. 返回值的含義與取值范圍

• 成功時：返回映射區域的起始地址
• 失敗時：返回 MAP_FAILED（通常是 (void *)-1），并設置 errno 來指示錯誤原因

常見錯誤碼 (errno)：

• EACCES：文件描述符不支持所請求的訪問類型
• EAGAIN：文件已被鎖定，或太多內存被鎖定
• EBADF：文件描述符無效
• EINVAL：參數無效（如長度為零、不支持的保護或標志）
• ENFILE：已達到系統對打開文件總數的限制
• ENODEV：文件所在文件系統不支持內存映射
• ENOMEM：沒有可用內存，或進程超出內存映射限制
• EPERM：操作被拒絕（如嘗試寫入只寫區域）

4. 參數的含義與取值范圍

1. void *addr

   • 含義：建議的映射起始地址（通常設為 NULL，由內核自動選擇）
   • 取值范圍：任何有效的地址或 NULL

2. size_t length

   • 含義：要映射的字節數
   • 取值范圍：大于 0 的值

3. int prot

   • 含義：內存保護標志，指定訪問權限
   • 常見取值（使用按位或組合）：
     • PROT_NONE：頁面不可訪問
     • PROT_READ：頁面可讀
     • PROT_WRITE：頁面可寫
     • PROT_EXEC：頁面可執行

4. int flags

   • 含義：映射類型和選項
   • 常見取值（使用按位或組合）：
     • MAP_SHARED：共享映射，修改對其他進程可見
     • MAP_PRIVATE：私有映射，修改不會寫回文件
     • MAP_ANONYMOUS：不映射文件，創建匿名內存
     • MAP_FIXED：必須使用指定地址
     • MAP_LOCKED：鎖定頁面在內存中

5. int fd

   • 含義：要映射的文件描述符
   • 取值范圍：有效的文件描述符（對于匿名映射，設為 -1）

6. off_t offset

   • 含義：文件中的偏移量，必須是系統頁面大小的倍數
   • 取值范圍：非負值，通常是頁面大小的倍數

5. 函數使用案例

案例1：文件映射與讀取

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>int main() {const char *filename = "example.txt";const int file_size = 1024;// 創建并寫入示例文件int fd = open(filename, O_RDWR | O_CREAT, 0644);if (fd == -1) {perror("open");exit(EXIT_FAILURE);}// 調整文件大小if (ftruncate(fd, file_size) == -1) {perror("ftruncate");close(fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 映射文件到內存char *mapped = mmap(NULL, file_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);if (mapped == MAP_FAILED) {perror("mmap");close(fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 通過內存訪問文件內容const char *message = "Hello, mmap!";strncpy(mapped, message, strlen(message));printf("File content via mmap: %s\n", mapped);// 取消映射并關閉文件if (munmap(mapped, file_size) == -1) {perror("munmap");}close(fd);return 0;
}

案例2：進程間共享內存

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>#define SHM_SIZE 1024int main() {// 創建共享內存區域（匿名映射）char *shared_mem = mmap(NULL, SHM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);if (shared_mem == MAP_FAILED) {perror("mmap");exit(EXIT_FAILURE);}pid_t pid = fork();if (pid == -1) {perror("fork");exit(EXIT_FAILURE);}if (pid == 0) {  // 子進程printf("Child process writing to shared memory\n");strcpy(shared_mem, "Message from child process");exit(EXIT_SUCCESS);} else {         // 父進程wait(NULL);  // 等待子進程結束printf("Parent process reading from shared memory: %s\n", shared_mem);// 清理if (munmap(shared_mem, SHM_SIZE) == -1) {perror("munmap");}}return 0;
}

案例3：高效大數據處理

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>#define FILE_SIZE (1024 * 1024 * 100)  // 100MBint main() {const char *filename = "large_file.bin";int fd = open(filename, O_RDWR | O_CREAT, 0644);if (fd == -1) {perror("open");exit(EXIT_FAILURE);}// 調整文件大小if (ftruncate(fd, FILE_SIZE) == -1) {perror("ftruncate");close(fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 映射文件char *mapped = mmap(NULL, FILE_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);if (mapped == MAP_FAILED) {perror("mmap");close(fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 使用內存映射進行高效處理clock_t start = clock();for (size_t i = 0; i < FILE_SIZE; i++) {mapped[i] = (char)(i % 256);  // 填充數據}clock_t end = clock();double elapsed = (double)(end - start) / CLOCKS_PER_SEC;printf("Processed %d MB in %.2f seconds (%.2f MB/s)\n", FILE_SIZE / (1024 * 1024), elapsed, (FILE_SIZE / (1024.0 * 1024.0)) / elapsed);// 清理if (munmap(mapped, FILE_SIZE) == -1) {perror("munmap");}close(fd);remove(filename);  // 刪除臨時文件return 0;
}

6. 編譯方式與注意事項

編譯命令：

gcc -o mmap_example1 mmap_example1.c
gcc -o mmap_example2 mmap_example2.c
gcc -o mmap_example3 mmap_example3.c

注意事項：

1. 權限檢查：確保對映射的文件有適當的訪問權限
2. 對齊要求：offset 參數必須是系統頁面大小的倍數（可用 sysconf(_SC_PAGE_SIZE) 獲取）
3. 資源清理：始終使用 munmap() 取消映射，并使用 close() 關閉文件描述符
4. 錯誤處理：始終檢查返回值并處理可能的錯誤
5. 同步：對于共享映射，修改可能不會立即寫回文件，可使用 msync() 強制同步
6. 內存保護：注意設置適當的保護標志，避免安全漏洞
7. 可移植性：不同系統可能有不同的頁面大小和限制

7. 執行結果說明

案例1輸出：

File content via mmap: Hello, mmap!

這個示例創建了一個文件，通過內存映射寫入內容，然后讀取并顯示內容。

案例2輸出：

Child process writing to shared memory
Parent process reading from shared memory: Message from child process

這個示例演示了父子進程如何通過匿名映射共享內存區域。

案例3輸出：

Processed 100 MB in 0.15 seconds (666.67 MB/s)

這個示例展示了使用內存映射處理大文件的高效性，通過直接內存訪問避免了頻繁的系統調用。

8. 圖文總結

以下是 mmap 系統調用的工作流程：

關鍵點總結：

1. mmap 提供了一種高效的文件訪問方式，避免了頻繁的 read/write 系統調用
2. 支持文件映射和匿名映射兩種模式，分別用于文件I/O和進程間通信
3. 采用惰性加載機制，只有在實際訪問時才會將數據加載到內存
4. 對于共享映射，修改可能會自動寫回文件（取決于標志）
5. 必須正確使用 munmap() 釋放映射區域，避免資源泄漏
6. 適當設置保護標志和映射選項對性能和安全性至關重要

mmap 是一個強大的系統調用，正確使用可以顯著提高I/O性能，但需要仔細考慮內存管理和同步問題。