內(nèi)存映射文件（Memory-Mapped File）是?種將文件內(nèi)容映射到內(nèi)存中的機(jī)制，允許程序直接訪問文件數(shù)據(jù)，就好像這些數(shù)據(jù)已經(jīng)被加載到了內(nèi)存?樣。這個(gè)機(jī)制允許文件的內(nèi)容被映射到?個(gè)進(jìn)程的地址空間，從而允許程序以?種更高效的方式讀取或?qū)懭胛募?shù)據(jù)，同時(shí)，多個(gè)進(jìn)程可以映射同?個(gè)文件，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的數(shù)據(jù)共享。這對(duì)于進(jìn)程間通信非常有用。

mmap()

mmap() 是一個(gè)Unix和Linux系統(tǒng)調(diào)用，用于在進(jìn)程的地址空間中映射文件或設(shè)備，或者創(chuàng)建匿名內(nèi)存映射。它提供了一種在文件和進(jìn)程的內(nèi)存之間建立直接映射的機(jī)制。這意味著對(duì)于映射的內(nèi)存區(qū)域的任何修改都將直接反映到底層的文件中，反之亦然。

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

以下是 mmap() 函數(shù)的基本參數(shù)和它們的描述：

1. 起始地址:

   • 希望映射開始的內(nèi)存地址。通常設(shè)置為 NULL，讓系統(tǒng)決定最佳起始地址。

2. 長度:

   • 要映射的文件或設(shè)備的字節(jié)數(shù)。

3. 保護(hù):

   • 映射區(qū)域的訪問權(quán)限。常見的權(quán)限包括：
     • PROT_READ: 數(shù)據(jù)可以被讀取。
     • PROT_WRITE: 數(shù)據(jù)可以被寫入。
     • PROT_EXEC: 數(shù)據(jù)可以被執(zhí)行。
     • PROT_NONE: 數(shù)據(jù)不能被訪問。

4. 標(biāo)志:

   • 描述映射的類型和屬性。常見的標(biāo)志包括：
     • MAP_SHARED: 更改會(huì)反映到底層文件或其他映射此文件的進(jìn)程中。
     • MAP_PRIVATE: 創(chuàng)建一個(gè)私有的映射，更改不會(huì)寫回底層文件。
     • MAP_ANONYMOUS 或 MAP_ANON: 創(chuàng)建一個(gè)匿名映射，不與任何文件關(guān)聯(lián)。
     • MAP_FIXED: 使用指定的起始地址，如果該地址不可用，映射會(huì)失敗。

5. 文件描述符:

   • 要映射的文件或設(shè)備的描述符。如果使用 MAP_ANONYMOUS，則此值可以設(shè)置為 -1。

6. 偏移:

   • 從文件或設(shè)備的哪個(gè)位置開始映射。通常，這是以頁面大小為單位的，所以通常將偏移量設(shè)置為系統(tǒng)頁面大小的倍數(shù)。

成功調(diào)用 mmap() 會(huì)返回新映射區(qū)域的地址。如果調(diào)用失敗，則返回 MAP_FAILED，并在 errno 中設(shè)置一個(gè)錯(cuò)誤代碼。

幾點(diǎn)注意事項(xiàng)：

• 使用 mmap() 創(chuàng)建的映射應(yīng)當(dāng)在不再需要時(shí)使用 munmap() 釋放。
• 當(dāng)映射文件時(shí)，文件的長度應(yīng)該大于或等于要映射的長度?？梢允褂?ftruncate() 調(diào)整文件大小。
• 寫入映射區(qū)域超出文件當(dāng)前大小的部分可能會(huì)導(dǎo)致段錯(cuò)誤。
• 對(duì)于 MAP_SHARED 映射，更改將寫回底層文件，但不一定立即寫回。可以使用 msync() 來確保更改被同步到文件。

總的來說，mmap() 是一種強(qiáng)大而靈活的機(jī)制，用于文件I/O和進(jìn)程間通信。

munmap()

munmap() 是一個(gè)Unix和POSIX系統(tǒng)調(diào)用，用于取消映射一個(gè)之前通過 mmap() 映射到進(jìn)程地址空間的內(nèi)存區(qū)域。映射的內(nèi)存區(qū)域可能是文件的映射、匿名內(nèi)存或其他類型的內(nèi)存對(duì)象。

當(dāng)我們不再需要訪問一個(gè)內(nèi)存映射或當(dāng)進(jìn)程完成其操作并想釋放資源時(shí)，應(yīng)該調(diào)用 munmap() 來取消映射。

以下是 munmap() 的基本參數(shù)和它們的描述：

1. 地址 (addr):

   • 要取消映射的內(nèi)存區(qū)域的起始地址。這應(yīng)該是之前 mmap() 調(diào)用的返回值。

2. 長度 (length):

   • 要取消映射的內(nèi)存區(qū)域的長度（以字節(jié)為單位）。

函數(shù)的基本原型如下：

int munmap(void *addr, size_t length);

返回值：

• 成功時(shí)，munmap() 返回 0。
• 失敗時(shí)，返回 -1，并設(shè)置全局變量 errno 以指示錯(cuò)誤原因。

一些常見的使用場(chǎng)景和注意事項(xiàng)：

• 資源管理:

  • 在不需要訪問映射內(nèi)存區(qū)域時(shí)，應(yīng)及時(shí)使用 munmap() 釋放資源。否則，這可能會(huì)導(dǎo)致資源泄漏，尤其是在長時(shí)間運(yùn)行的程序中。

• 訪問已取消映射的內(nèi)存:

  • 一旦使用 munmap() 取消映射了一個(gè)內(nèi)存區(qū)域，任何嘗試訪問該區(qū)域的操作都將導(dǎo)致未定義的行為，通常是段錯(cuò)誤 (segmentation fault)。

• 映射邊界:

  • 當(dāng)取消映射一個(gè)內(nèi)存區(qū)域時(shí)，必須確保 addr 和 length 正確地對(duì)應(yīng)于原始 mmap() 調(diào)用的值。嘗試部分取消映射或使用不正確的地址和長度可能導(dǎo)致錯(cuò)誤。

• 與其他資源的關(guān)聯(lián):

  • 取消映射并不意味著與該映射相關(guān)的其他資源也被釋放。例如，如果映射了一個(gè)文件，munmap() 只會(huì)取消映射，但不會(huì)關(guān)閉文件。我們?nèi)匀恍枰褂?close() 系統(tǒng)調(diào)用來關(guān)閉文件。

總的來說，munmap() 是內(nèi)存映射管理的重要部分，正確地使用它可以幫助避免資源泄漏和確保程序的穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)使用內(nèi)存映射的應(yīng)用程序時(shí)，我們應(yīng)該始終確保在不再需要映射的時(shí)候調(diào)用 munmap() 來釋放資源。

ftruncate()

ftruncate() 是一個(gè)系統(tǒng)調(diào)用，用于調(diào)整/設(shè)置已打開的文件的大小。這個(gè)調(diào)用可以使文件變大或變小。當(dāng)文件增大時(shí)，新增的部分會(huì)被視為“空洞”，并且會(huì)讀取為零字節(jié)；當(dāng)文件縮小時(shí)，超出指定長度的部分將被丟棄。

以下是 ftruncate() 的基本參數(shù)和它們的描述：

1. 文件描述符 (fd):

   • 這是要調(diào)整大小的文件的文件描述符。通常，這是使用 open() 或其他相關(guān)系統(tǒng)調(diào)用獲得的。

2. 長度 (length):

   • 這是要設(shè)置的文件的新大小，以字節(jié)為單位。

函數(shù)的基本原型如下：

int ftruncate(int fd, off_t length);

返回值：

• 成功時(shí)，ftruncate() 返回 0。
• 失敗時(shí)，返回 -1，并設(shè)置全局變量 errno 以指示錯(cuò)誤原因。

一些常見的使用場(chǎng)景和注意事項(xiàng)：

• 內(nèi)存映射: 在使用 mmap() 創(chuàng)建文件的內(nèi)存映射之前，如果想映射的部分超過了文件的當(dāng)前大小，可以使用 ftruncate() 來增加文件的大小。

• 數(shù)據(jù)庫和日志文件: 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或日志文件管理系統(tǒng)可能會(huì)預(yù)先分配大塊的磁盤空間以提高效率，而不是每次需要時(shí)都增加文件大小。這可以通過 ftruncate() 實(shí)現(xiàn)。

• 文件截?cái)?/strong>: 如果只想保留文件的前部分并刪除其余部分，ftruncate() 可以很容易地做到這一點(diǎn)。

• 空洞文件: 在某些文件系統(tǒng)上，ftruncate() 可以用于創(chuàng)建所謂的“空洞文件”，這是一個(gè)包含未初始化數(shù)據(jù)（空洞）的文件，這些數(shù)據(jù)在磁盤上不占用任何空間，但在讀取時(shí)會(huì)返回零字節(jié)。

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>
#include <semaphore.h>#define FILE_PATH "shared_memory_file"
#define FILE_SIZE 1024
#define SEM_PARENT "/sem_parent"
#define SEM_CHILD "/sem_child"int main() {int fd;char *shared_mem;// Create a filefd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, 0777);if (fd == -1) {perror("open");return 1;}// Set the file sizeftruncate(fd, FILE_SIZE);// Map the file into memoryshared_mem = (char *)mmap(NULL, FILE_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);if (shared_mem == MAP_FAILED) {perror("mmap");return 1;}// Create semaphoressem_t *sem_parent = sem_open(SEM_PARENT, O_CREAT, 0666, 0);sem_t *sem_child = sem_open(SEM_CHILD, O_CREAT, 0666, 0);pid_t pid = fork();if (pid == 0) { // Childsem_wait(sem_parent); // Wait for parent signalprintf("[Child] Received: %s\n", shared_mem);// Reply to the parentstrcpy(shared_mem, "Message received by child!");printf("[Child] Replied to parent.\n");sem_post(sem_child); // Signal the parent} else if (pid > 0) { // Parentstrcpy(shared_mem, "Hello from parent!");sem_post(sem_parent); // Signal the child// Wait for child signalsem_wait(sem_child);printf("[Parent] Message from child: %s\n", shared_mem);wait(NULL); // Wait for child to finish} else {perror("fork");return 1;}// Cleanupmunmap(shared_mem, FILE_SIZE);close(fd);unlink(FILE_PATH);sem_close(sem_parent);sem_close(sem_child);sem_unlink(SEM_PARENT);sem_unlink(SEM_CHILD);return 0;
}

majn@tiger:~/C_Project/mmap_project$ ./mmap_demo 
[Child] Received: Hello from parent!
[Child] Replied to parent.
[Parent] Message from child: Message received by child!