Linux- 内存映射文件（Memory-Mapped File）

内存映射文件（Memory-Mapped File）是⼀种将文件内容映射到内存中的机制，允许程序直接访问文件数据，就好像这些数据已经被加载到了内存⼀样。这个机制允许文件的内容被映射到⼀个进程的地址空间，从而允许程序以⼀种更高效的方式读取或写入文件数据，同时，多个进程可以映射同⼀个文件，从而实现进程间的数据共享。这对于进程间通信非常有用。

mmap()

mmap() 是一个Unix和Linux系统调用，用于在进程的地址空间中映射文件或设备，或者创建匿名内存映射。它提供了一种在文件和进程的内存之间建立直接映射的机制。这意味着对于映射的内存区域的任何修改都将直接反映到底层的文件中，反之亦然。

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

以下是 mmap() 函数的基本参数和它们的描述：

1. 起始地址:

   • 希望映射开始的内存地址。通常设置为 NULL，让系统决定最佳起始地址。

2. 长度:

   • 要映射的文件或设备的字节数。

3. 保护:

   • 映射区域的访问权限。常见的权限包括：
     • PROT_READ: 数据可以被读取。
     • PROT_WRITE: 数据可以被写入。
     • PROT_EXEC: 数据可以被执行。
     • PROT_NONE: 数据不能被访问。

4. 标志:

   • 描述映射的类型和属性。常见的标志包括：
     • MAP_SHARED: 更改会反映到底层文件或其他映射此文件的进程中。
     • MAP_PRIVATE: 创建一个私有的映射，更改不会写回底层文件。
     • MAP_ANONYMOUS 或 MAP_ANON: 创建一个匿名映射，不与任何文件关联。
     • MAP_FIXED: 使用指定的起始地址，如果该地址不可用，映射会失败。

5. 文件描述符:

   • 要映射的文件或设备的描述符。如果使用 MAP_ANONYMOUS，则此值可以设置为 -1。

6. 偏移:

   • 从文件或设备的哪个位置开始映射。通常，这是以页面大小为单位的，所以通常将偏移量设置为系统页面大小的倍数。

成功调用 mmap() 会返回新映射区域的地址。如果调用失败，则返回 MAP_FAILED，并在 errno 中设置一个错误代码。

几点注意事项：

• 使用 mmap() 创建的映射应当在不再需要时使用 munmap() 释放。
• 当映射文件时，文件的长度应该大于或等于要映射的长度。可以使用 ftruncate() 调整文件大小。
• 写入映射区域超出文件当前大小的部分可能会导致段错误。
• 对于 MAP_SHARED 映射，更改将写回底层文件，但不一定立即写回。可以使用 msync() 来确保更改被同步到文件。

总的来说，mmap() 是一种强大而灵活的机制，用于文件I/O和进程间通信。

munmap()

munmap() 是一个Unix和POSIX系统调用，用于取消映射一个之前通过 mmap() 映射到进程地址空间的内存区域。映射的内存区域可能是文件的映射、匿名内存或其他类型的内存对象。

当我们不再需要访问一个内存映射或当进程完成其操作并想释放资源时，应该调用 munmap() 来取消映射。

以下是 munmap() 的基本参数和它们的描述：

1. 地址 (addr):

   • 要取消映射的内存区域的起始地址。这应该是之前 mmap() 调用的返回值。

2. 长度 (length):

   • 要取消映射的内存区域的长度（以字节为单位）。

函数的基本原型如下：

int munmap(void *addr, size_t length);

返回值：

• 成功时，munmap() 返回 0。
• 失败时，返回 -1，并设置全局变量 errno 以指示错误原因。

一些常见的使用场景和注意事项：

• 资源管理:

  • 在不需要访问映射内存区域时，应及时使用 munmap() 释放资源。否则，这可能会导致资源泄漏，尤其是在长时间运行的程序中。

• 访问已取消映射的内存:

  • 一旦使用 munmap() 取消映射了一个内存区域，任何尝试访问该区域的操作都将导致未定义的行为，通常是段错误 (segmentation fault)。

• 映射边界:

  • 当取消映射一个内存区域时，必须确保 addr 和 length 正确地对应于原始 mmap() 调用的值。尝试部分取消映射或使用不正确的地址和长度可能导致错误。

• 与其他资源的关联:

  • 取消映射并不意味着与该映射相关的其他资源也被释放。例如，如果映射了一个文件，munmap() 只会取消映射，但不会关闭文件。我们仍然需要使用 close() 系统调用来关闭文件。

总的来说，munmap() 是内存映射管理的重要部分，正确地使用它可以帮助避免资源泄漏和确保程序的稳定性。在设计使用内存映射的应用程序时，我们应该始终确保在不再需要映射的时候调用 munmap() 来释放资源。

ftruncate()

ftruncate() 是一个系统调用，用于调整/设置已打开的文件的大小。这个调用可以使文件变大或变小。当文件增大时，新增的部分会被视为“空洞”，并且会读取为零字节；当文件缩小时，超出指定长度的部分将被丢弃。

以下是 ftruncate() 的基本参数和它们的描述：

1. 文件描述符 (fd):

   • 这是要调整大小的文件的文件描述符。通常，这是使用 open() 或其他相关系统调用获得的。

2. 长度 (length):

   • 这是要设置的文件的新大小，以字节为单位。

函数的基本原型如下：

int ftruncate(int fd, off_t length);

返回值：

• 成功时，ftruncate() 返回 0。
• 失败时，返回 -1，并设置全局变量 errno 以指示错误原因。

一些常见的使用场景和注意事项：

• 内存映射: 在使用 mmap() 创建文件的内存映射之前，如果想映射的部分超过了文件的当前大小，可以使用 ftruncate() 来增加文件的大小。

• 数据库和日志文件: 数据库系统或日志文件管理系统可能会预先分配大块的磁盘空间以提高效率，而不是每次需要时都增加文件大小。这可以通过 ftruncate() 实现。

• 文件截断: 如果只想保留文件的前部分并删除其余部分，ftruncate() 可以很容易地做到这一点。

• 空洞文件: 在某些文件系统上，ftruncate() 可以用于创建所谓的“空洞文件”，这是一个包含未初始化数据（空洞）的文件，这些数据在磁盘上不占用任何空间，但在读取时会返回零字节。

总的来说，ftruncate() 是一个有用的系统调用，尤其是在需要精细控制文件大小或预分配磁盘空间的应用中。

示例

在下面的例子中，我们使用了两个 POSIX 信号量：sem_parent和sem_child来控制两个进程之间的同步。父进程首先写入消息然后通过sem_post通知子进程。子进程在收到消息并处理完后，通过sem_post通知父进程。这种方式确保了两个进程的同步，并且避免了忙等待。

#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 file
    fd = open(FILE_PATH, O_RDWR | O_CREAT, 0777);
    if (fd == -1) {
    
    
        perror("open");
        return 1;
    }

    // Set the file size
    ftruncate(fd, FILE_SIZE);

    // Map the file into memory
    shared_mem = (char *)mmap(NULL, FILE_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (shared_mem == MAP_FAILED) {
    
    
        perror("mmap");
        return 1;
    }

    // Create semaphores
    sem_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) {
    
     // Child
        sem_wait(sem_parent); // Wait for parent signal
        printf("[Child] Received: %s\n", shared_mem);

        // Reply to the parent
        strcpy(shared_mem, "Message received by child!");
        printf("[Child] Replied to parent.\n");

        sem_post(sem_child); // Signal the parent

    } else if (pid > 0) {
    
     // Parent
        strcpy(shared_mem, "Hello from parent!");
        sem_post(sem_parent); // Signal the child

        // Wait for child signal
        sem_wait(sem_child);
        printf("[Parent] Message from child: %s\n", shared_mem);
        wait(NULL); // Wait for child to finish

    } else {
    
    
        perror("fork");
        return 1;
    }

    // Cleanup
    munmap(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;
}

程序运行结果如下：

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!

---

对于超出映射区域的内存访问，结果是不确定的，通常会导致错误。

当尝试访问超出我们通过mmap分配的映射区域的内存地址时，实际上是在访问进程地址空间中的非法地址。这通常会产生一个SIGSEGV信号，该信号表示段违规错误，即“segmentation fault”。

简而言之：

1. 试图读取超出文件长度但在映射区域内的地址：通常会读到0，这是因为文件被视为以0字节填充直到映射的大小。

2. 试图访问超出映射区域的地址：通常会导致段违规错误（segmentation fault）。

因此，最好确保只访问映射的内存区域内的地址，避免超出这个范围，以防止未定义的行为和潜在的程序崩溃。