初始mmap
一、核心定义
mmap() 是 Linux/Unix 系统调用，全称 memory map（内存映射），把文件 / 设备空间直接映射到进程虚拟地址空间，进程可以像读写内存指针一样读写文件，无需传统 read/write 的内核缓冲区中转。也就说命令该操作的效率的高。
二、主要作用
1. 高效读写文件（最常用）
传统文件读写流程： 应用缓冲区 → 内核页缓存 → 磁盘（两次 数据拷贝：用户态 ↔ 内核态）
mmap 映射后： 磁盘文件直接映射到进程虚拟内存，省去一次内核缓冲区拷贝
读文件：直接访问内存地址，系统缺页异常时内核加载磁盘数据
写文件：修改内存数据，内核定时自动刷回磁盘，也可手动调用 msync() 强制落盘 优势：大文件读写性能大幅提升。
2. 进程间通信（IPC：共享内存）
创建一块匿名映射 / 映射同一个文件，多个进程绑定同一片虚拟内存：
一个进程修改内存内容，其他进程立刻可见也就是我们之前共享内存的概念。
速度远快于管道、消息队列（无内核缓冲区复制） 适用场景：大数据、视频流、缓存数据多进程共享。
3. 加载可执行程序、动态库
操作系统运行程序时：
用 mmap 将可执行文件、.so 动态库映射进进程地址空间
不会一次性全部载入内存，采用按需分页加载
节省物理内存，多个进程共用同一份库文件物理内存（共享文本段）
4. 硬件设备内存映射（嵌入式常用）
驱动将硬件寄存器、外设物理内存通过 mmap 暴露给用户态： 用户程序无需调用 ioctl，直接指针读写硬件寄存器，嵌入式开发高频使用。 Linux与 Unix
5. 匿名内存分配
创建无文件关联的匿名映射，替代 malloc 申请大块内存：
适合超大内存申请
可用于父子进程间内存共享（fork 后共享映射区）
三、关键优缺点
优点
数据拷贝少，IO 效率更高；
内存访问方式操作文件，编码简洁；
多进程共享内存，IPC 性能顶尖；
懒加载，节省物理内存占用。
缺点
映射长度必须按内存页（4KB）对齐，小文件会有内存浪费；这时候我们可以调用ftruncate来进行文件大小的扩容。
进程崩溃时，未刷盘的数据容易丢失；
内存越界会污染映射文件，风险更高；
小文件读写场景优势不明显。
四、基础使用流程
open() 打开文件
mmap() 建立映射，返回内存首地址 Linux与 Unix
指针直接读写这片内存
munmap() 解除映射
close() 关闭文件
五、典型应用场景
数据库（Redis、MySQL）：日志、数据文件高速读写；
音视频播放器：超大媒体文件流式读取；
多进程服务器：缓存数据共享；
嵌入式：操控外设寄存器；
系统底层：程序加载器、动态链接器。
主要就是我们的文件打开后获得文件描述符，然后通过mmap将这个文件映射到我们的进程地址空间中， 然后我们后续的操作直接在堆栈之间进行操作即可。
详解mmap的接口
我们关于mmap的接口这里我们查寻一下我们对应的手册。 Linux与 Unix
man mmap
函数原型：
#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,
int fd, off_t offset);
我们所包含的头文件：#include <sys/mman.h> 计算机驱动器和存储设备
看这个参数之前我们可以类比一下我们的共享内存的参数。
这里我们拿这个进行类比
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
我们的第二个参数
所以这里的第一个参数和他是一样的， 我们指定映射到我们进程地址空间的哪个地方。
参数的介绍：
addr: 我们将文件映射到虚拟地址空间的哪个地方。
length：表示我们这个文件映射的长度， 一般是4096一个页的大小。
prot：输入型参数，指定我们映射区域的内存保护属性
PROT_READ：映射区域可读。
PROT_WRITE：映射区域可写。
PROT_EXEC：映射区域可执行。
PROT_NONE ： 页面可能无法访问
这里我们要注意!注意!!注意！！！
我们要将我们对应的文件读取到我们的虚拟空间的页缓存中，我们这里必须要求读权限，但是我们这里如果不写的情况下我们是可以不使用我们的写权限的。 计算机驱动器和存储设备
open 打开模式 mmap prot 是否成功
O_RDONLY PROT_READ ✅成功
O_RDONLY PROT_READ|PROT_WRITE ❌失败，fd 没有写权限
O_WRONLY PROT_READ|PROT_WRITE ❌失败，fd 没有读权限
O_RDWR PROT_READ ✅成功
O_RDWR PROT_READ|PROT_WRITE ✅成功（最常用）
flags：我们对应的标记位，输出型参数。
这里的flags有许多种的参数。
MAP_PRIVATE：创建一个私有映射，对映射区的修改不会反应到底层的文件中。
MAP_SHARED：创建一个共享映射，对映射区域的修改会反应底层的文件中（前提是文件是以写方式打开的，并且文件系统支持这样的操作）。
标志 修改内存会写到磁盘 用于 IPC 进程通信
MAP_PRIVATE ❌不会写回文件 ❌不可以
MAP_SHARED ✅内存改动同步磁盘 ✅可以
其他选项（如MAP_ANONYMOUS、MAPANONYMOUS等）可能会存在于某些系统中，用于创建不与文件关联的匿名映射。
fd：要映射文件的文件描述符。 计算机驱动器和存储设备
offset：文件中的起始偏移量，及映射区域开始的位置。offset和lenth一起定义了映射区域在文件中的位置和大小。
返回值：
成功返回指向这个空间的虚拟地址， 失败返回-1 （（void*）-1）
使用mmap
在使用之前我们要先了解两个有用的系统调用的接口。
ftruncate
这个参数就是将我们的文件截到给定的长度。
man ftruncate
函数原型：
SYNOPSIS
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
int truncate(const char *path, off_t length);
int ftruncate(int fd, off_t length);
参数的介绍：
fd：我们要扩大文件的文件描述符。 计算机驱动器和存储设备
lenth： 要将这个文件扩大到多少。我们是以4096进行内存的划分的一般扩展到我们对应的4096。
返回值：
成功返回0 ， 失败返回-1 ， 错误码被设置。
fstat
获取我们当前文件的大小。
man fstat
函数原型：
SYNOPSIS
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
int stat(const char *pathname, struct stat *statbuf);
int fstat(int fd, struct stat *statbuf);
参数的介绍
fd： 获取文件的文件描述符。 计算机驱动器和存储设备
statbuf：我们的输出型参数。取出一个结构体。里面有size会返回对应文件的大小。
返回值：
成功返回0，失败返回-1.错误码被设置。
我们是用mmap映射到进程地址空间
我们的commit文件： 计算机驱动器和存储设备
#pragma once
#include<cstdio>
#include<iostream>
#include<sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#define LEN_MAX 4096
#include "commit.hpp"
int main()
{
//先打开文件
int fd = open("test.txt", O_RDWR| O_CREAT | O_TRUNC,0666);
ftruncate(fd,LEN_MAX); //使用他的目的是我们是以4kb为单位进行开辟空间的，避免空间被浪费。
void* address = mmap(nullptr,LEN_MAX, PROT_WRITE|PROT_READ , MAP_SHARED,fd, 0);
if(address == (void*)-1)
{
perror("mmap fail!");
exit(1);
}
return 0;
}
我们这个文件进行写操作，我们这里要写入A-Z的字母吧。
#include "commit.hpp"
#define LEN_MAX 4096
int main()
{
int fd = open("test.txt",O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
// 重点：用 LEN_MAX(4096)，严禁SIZE_MAX
ftruncate(fd, LEN_MAX);
void* address = mmap(nullptr,LEN_MAX, PROT_WRITE|PROT_READ, MAP_SHARED,fd, 0);
if(address == (void*)-1)
{
perror("mmap fail!");
exit(1);
}
for(char c='A';c<='Z';c++)
{
((char*)address)[c - 'A'] = c;
}
close(fd);
return 0;
}
munmap
当然这里会有些安全方面的问题，我们使用完我们的mmap要进行我们mmap的回收，这里我们使用我们的munmap Linux与 Unix
man munmap
函数原型
int munmap(void *addr, size_t length);
参数介绍
addr： 我们刚开始返回的虚拟地址的起始地址。
length：我们该文件的长度。当然这里我们是配合我们对应的fstat使用的。 计算机驱动器和存储设备
我们知道我们对应的长度的情况：
#include "commit.hpp"
#define LEN_MAX 4096
int main()
{
int fd = open("test.txt",O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
// 重点：用 LEN_MAX(4096)，严禁SIZE_MAX
ftruncate(fd, LEN_MAX);
void* address = mmap(nullptr,LEN_MAX, PROT_WRITE|PROT_READ, MAP_SHARED,fd, 0);
if(address == (void*)-1)
{
perror("mmap fail!");
exit(1);
}
for(char c='A';c<='Z';c++)
{
((char*)address)[c - 'A'] = c;
}
munmap(address, LEN_MAX);
close(fd);
return 0;
}
我们使用我们的fstat
#include "commit.hpp"
#define LEN_MAX 4096
int main()
{
int fd = open("test.txt",O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC,0666);
// 重点：用 LEN_MAX(4096)，严禁SIZE_MAX
ftruncate(fd, LEN_MAX);
void* address = mmap(nullptr,LEN_MAX, PROT_WRITE|PROT_READ, MAP_SHARED,fd, 0);
if(address == (void*)-1)
{
perror("mmap fail!");
exit(1);
}
for(char c='A';c<='Z';c++)
{
((char*)address)[c - 'A'] = c;
}
struct stat statbuf;
fstat(fd,&statbuf);
munmap(address, statbuf.st_size);
close(fd);
return 0;
}
使用我们的mmap模拟实现我们malloc
模拟实现我们的malloc
mymalloc.hpp
#pragma once
#include<cstdio>
#include<iostream>
#include<sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#define SPA_SIZE_MAX 4096
class my_malloc
{
public:
my_malloc(int size):_spa_size(size),_addr(nullptr),_fd(-1)
{
_fd = open("malloc.txt", O_RDWR|O_CREAT, 0666);
if(_fd<0)
{
perror("open fail");
exit(1);
}
if(ftruncate(_fd, _spa_size)==-1)
{
perror("fteuncate fail");
exit(2);
}
_addr=mmap(nullptr,size, PROT_WRITE| PROT_READ,MAP_SHARED,_fd,0);
if(_addr==(void*)-1)
{
perror("mmap fail");
exit(3);
}
}
void* get_addr()
{
return _addr;
}
~my_malloc()
{
struct stat statbuf;
if(fstat(_fd,&statbuf)==-1)
{
perror("fstat fail");
exit(4);
}
if(munmap(_addr,statbuf.st_size)==-1)
{
perror("mummap fail");
exit(5);
}
}
private:
int _spa_size;
void* _addr;
int _fd;
};
mymalloc.cc
#include "mymalloc.hpp"
int main()
{
my_malloc mc(1024);
void* add = mc.get_addr();
for(char c= 'A'; c<='Z';c++)
{
((char*)add)[c-'A'] =c;
}
return 0;
}
我们运行查看
我们发现我们果然模拟实现了我们的malloc
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