内存映射

    这样一来，文件读写就跟内存操作一样直观，无需繁琐的 IO 操作代码。内核负责在内存和磁盘之间同步数据，应用程序开发者完全不用关心其中的细节。此外，IO 系统调用的避免，或多或少提高了程序的执行效率。

    接下来，我们以文件存储结构体为例，演示 mmap 系统调用的用法。

    结构体定义如下：

    student_info

    例子代码是一个函数，将结构体写入到给定文件中，文件路径以及结构体字段均由函数参数给出：

    write_info

    2.  * Use system call mmap to write struct to file
    3.  *
    4.  * Arguments
    5.  *     path: path of the file for writing
    6.  *
    7.  * Returns
    8.  *     0 if success, -1 if some error happened.
    9.  **/
    10. int write_info(char *path, char *name, int age, int score)
    11. {
    12.     // open file in read-write mode
    13.     // if exists, truncate it; else, create with 644
    14.     int fd = open(
    15.         path,
    16.         O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,
    17.         S_IRUSR|S_IWUSR|S_IRGRP|S_IROTH
    18.     );
    19.     if (fd == -1) {
    20.         perror("fail to open file");
    21.     }
    23.     // if no enough space, expand it
    24.     if (expand_file(fd, sizeof(struct student_info)) == -1) {
    25.         return -1;
    26.     }
    28.     // map the opened file to memory area
    29.     struct student_info *infop = (struct student_info *)mmap(
    30.         NULL,
    31.         sizeof(struct student_info),
    32.         PROT_WRITE,
    33.         MAP_SHARED,
    34.         fd,
    35.         0
    36.     );
    37.     if (infop == MAP_FAILED) {
    38.         perror("fail to map file");
    39.         return -1;
    40.     }
    42.     // copy name string
    43.     strncpy(infop->name, name, NAME_LEN_LIMIT-1);
    46.     infop->age = age;
    47.     infop->score = score;
    49.     return 0;
    50. }

    该函数先调用 open 系统调用以 读写模式 打开文件并清空(第 14 行处)，文件不存在则创建，权限位为 644 。

    然后调用 expand_file 函数扩展文件长度，确保至少能容纳一个 student_info 结构体( 第 25 行处 )。expand_file 设计细节不再深入讨论，请自行查看代码：

    接着调用 mmap 系统调用将文件映射进内存中(第 30 行处)。 mmap 各个参数说明如下：

    • addr ，内存起始地址，指定为 NULL 则由内核自行分配；
    • len ，内存映射区区长度；
    • prot ，内存区访问权限；
    • flags ， 映射类型 标志位；
    • fd ，被映射文件描述符；
    • offset ，被映射文件偏移量；

    其中，内存区访问权限可以是以下值的或操作组合：

    • PROT_NONE ，内存页 不可访问 ；
    • PROT_READ ，内存页 可读 ；
    • PROT_WRITE ，内存页 可写 ；
    • PROT_EXEC ，内存页 可执行 ；

    映射类型 决定内存区修改是否对其他进程可见，以及是否应用至原文件：

    • MAP_SHARED ，修改对其他进程可见，并同步到文件；
    • MAPPRIVATE ，创建 私有写复制 ( _copy-on-write )映射，因此修改对其他进程不可见，也不同步至文件；

    映射完毕后，对结构体的操作将被应用到文件(第 44-49 行)。

    只读映射与读写映射类似：

    mmio.c

    不同的地方在于：

    • 文件可以以只读模式打开(第 13 行处)；
    • mmap 系统调用 prot 参数指定为 PROT_READ ；文件映射完毕后，即可直接访问结构体字段并输出，非常直观、便捷！

    下面，运行 mmio 程序，以读写模式映射文件并写入数据记录：

    1. $ ./mmio fasion.data 'Fasion Chan' 28 8

    注意到，当前目录确实出现了我们写入的文件：

    运行 hexdump 命令查看文件内容：

    1. $ hexdump -C fasion.data
    2. 00000000  46 61 73 69 6f 6e 20 43  68 61 6e 00 00 00 00 00  |Fasion Chan.....|
    3. 00000010  00 00 00 00 00 00 00 00  00 00 00 00 00 00 00 00  |................|
    4. 00000020  1c 00 00 00 08 00 00 00                           |........|
    5. 00000028

    前两行为 name 字段，总共 32 字节，为以 0 结尾的字符串；最后一行为 age 以及 score 字段，均是 4 字节长整型，二进制内容表明这正是我们写入的。

    接着，我们运行 mmio 程序，以只读模式映射文件并输出内容：

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