mmap() vs read()/write()/lseek()

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。

#include

#include

#include

#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]);

}

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]);

}

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()。

#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。

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);

}

}#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);

}

void job_hello()

{

time_t now;printf("%ld\thello world\n", (long)time(&now));

}

void job_simle()

{

time_t now;printf("%ld\t^_^\n", (long)time(&now));

}

void job_bye()

{

time_t now;printf("%ld\t|

}

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);

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。

mmap的作用是将硬盘文件的内容映射到内存中，采用闭链哈希建立的索引文件非常适合利用mmap的方式进行内存映射，利用mmap返回的地址指针就是索引文件在内存中的首地址，这样我们就可以放心大胆的访问这些内容了。

使用过mmap映射文件的同学会发现一个问题，search程序访问对应的内存映射时，处理query的时间会有latecny会陡升，究其原因是因为mmap只是建立了一个逻辑地址，linux的内存分配测试都是采用延迟分配的形式，也就是只有你真正去访问时采用分配物理内存页，并与逻辑地址建立映射，这也就是我们常说的缺页中断。

缺页中断分为两类，一种是内存缺页中断，这种的代表是malloc，利用malloc分配的内存只有在程序访问到得时候，内存才会分配；另外就是硬盘缺页中断，这种中断的代表就是mmap，利用mmap映射后的只是逻辑地址，当我们的程序访问时，内核会将硬盘中的文件内容读进物理内存页中，这里我们就会明白为什么mmap之后，访问内存中的数据延时会陡增。

出现问题解决问题，上述情况出现的原因本质上是mmap映射文件之后，实际并没有加载到内存中，要解决这个文件，需要我们进行索引的预加载，这里就会引出本文讲到的另一函数madvise，这个函数会传入一个地址指针，已经一个区间长度，madvise会向内核提供一个针对于于地址区间的I/O的建议，内核可能会采纳这个建议，会做一些预读的操作。例如MADV_SEQUENTIAL这个就表明顺序预读。

如果感觉这样还不给力，可以采用read操作，从mmap文件的首地址开始到最终位置，顺序的读取一遍，这样可以完全保证mmap后的数据全部load到内存中。