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【Linux进阶】mmap实战：文件映射、进程通信与LRU缓存

mmap（内存映射）是Linux系统中高效的I/O技术，它将文件或设备直接映射到进程虚拟地址空间，无需通过read/write系统调用拷贝数据，大幅提升读写性能。除了基础文件操作，mmap还广泛应用于进程间通信、内存分配、缓存设计等场景。

一、mmap基础：原理与核心用法

1.1 什么是mmap？

mmap通过内核将文件/设备的部分或全部内容映射到进程虚拟地址空间，进程直接操作这段内存即可完成对文件的读写。其核心优势在于：

• 减少数据拷贝：跳过内核缓冲区与用户缓冲区的拷贝过程。
• 统一接口：用内存操作（指针读写）替代文件I/O调用。
• 支持共享：可通过共享映射实现进程间数据共享。

1.2 核心接口与参数解析

#include <sys/mman.h>void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);int munmap(void *addr, size_t length);

关键参数说明

参数	作用
addr	期望的映射起始地址，传NULL让内核自动分配
length	映射长度（必须是系统页大小的整数倍，默认4KB）
prot	内存保护属性：PROT_READ（可读）、PROT_WRITE（可写）、PROT_EXEC（可执行）
flags	映射类型：MAP_SHARED（共享映射，修改同步到文件）、MAP_PRIVATE（私有映射，写时拷贝）
fd	待映射文件的文件描述符（匿名映射传-1）
offset	文件起始偏移量（必须是页大小整数倍）

返回值

• 成功：返回映射区域的虚拟地址指针。
• 失败：返回MAP_FAILED（即(void*)-1），并设置errno。

1.3 基础实战：文件映射读写

1.3.1 写入映射（修改文件内容）

#include <iostream>#include <string>#include <unistd.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <sys/mman.h>#include <cstring>#define SIZE 4096 // 4KB，页大小整数倍int main(int argc, char *argv[]) {if (argc != 2) {std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " filename" << std::endl;return 1;}std::string filename = argv[1];// 以读写模式打开文件（必须支持写才能同步修改）int fd = ::open(filename.c_str(), O_CREAT | O_RDWR, 0666);if (fd < 0) {perror("open");return 2;}// 调整文件大小（默认文件大小为0，无法映射）::ftruncate(fd, SIZE);// 创建共享映射char *mmap_addr = (char*)::mmap(nullptr, SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED, fd, 0);if (mmap_addr == MAP_FAILED) {perror("mmap");return 3;}// 直接操作内存，同步修改文件for (int i = 0; i < SIZE; i++) {mmap_addr[i] = 'a' + i % 26; // 填充a-z循环}// 取消映射（修改已同步到文件，无需显式write）::munmap(mmap_addr, SIZE);::close(fd);std::cout << "文件映射写入完成" << std::endl;return 0;}

1.3.2 读取映射（高效读取文件）

#include <iostream>#include <string>#include <unistd.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <sys/mman.h>int main(int argc, char *argv[]) {if (argc != 2) {std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " filename" << std::endl;return 1;}std::string filename = argv[1];int fd = ::open(filename.c_str(), O_RDONLY);if (fd < 0) {perror("open");return 2;}// 获取文件实际大小struct stat st;::fstat(fd, &st);// 创建只读映射char *mmap_addr = (char*)::mmap(nullptr, st.st_size, PROT_READ,MAP_SHARED, fd, 0);if (mmap_addr == MAP_FAILED) {perror("mmap");return 3;}// 直接读取内存（无需read调用）std::cout << "文件内容：" << std::endl;std::cout << mmap_addr << std::endl;::munmap(mmap_addr, st.st_size);::close(fd);return 0;}

1.4 进阶：用mmap模拟malloc内存分配

mmap支持匿名映射（MAP_ANONYMOUS），无需关联文件，可直接分配内存，实现简易版malloc：

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <sys/mman.h>#include <unistd.h>// 自定义malloc：基于匿名映射void* my_malloc(size_t size) {// MAP_PRIVATE：私有映射，进程间不可见// MAP_ANONYMOUS：匿名映射，无关联文件void* ptr = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);if (ptr == MAP_FAILED) {perror("mmap");exit(EXIT_FAILURE);}return ptr;}// 自定义free：取消映射void my_free(void* ptr, size_t size) {if (munmap(ptr, size) == -1) {perror("munmap");exit(EXIT_FAILURE);}}int main() {size_t size = 1024; // 分配1KB内存char* ptr = (char*)my_malloc(size);printf("分配内存地址：%p\n", ptr);memset(ptr, 'A', size); // 填充内存// 打印内存内容（每1秒输出一个字符）for (int i = 0; i < size; i++) {printf("%c ", ptr[i]);fflush(stdout);sleep(1);}my_free(ptr, size);printf("\n内存释放完成\n");return 0;}

编译运行：

g++ -o mymalloc mymalloc.cpp -std=c++11
./mymalloc

调试验证：用gdb查看内存映射：

(gdb) info proc mapping
# 可看到匿名映射的内存区域（无关联objfile）

二、mmap进程间通信：共享内存+同步机制

mmap的共享映射（MAP_SHARED）可实现进程间数据共享，结合互斥锁和条件变量，能实现安全的进程间通信（IPC）。

2.1 设计思路

• 共享内存载体：用shm_open创建POSIX共享内存对象，作为mmap的映射源。
• 同步机制：在共享内存中嵌入互斥锁（pthread_mutex_t）和条件变量（pthread_cond_t），保证进程间互斥访问。
• 数据传输：共享内存中预留缓冲区，用于存储进程间通信的数据。

2.2 核心封装：共享内存对象

// SharedMem.hpp
#pragma once
#include <iostream>#include <sys/mman.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <unistd.h>#include <string.h>#include <pthread.h>#define SIZE 4096 // 缓冲区大小#define SHARED_MEMORY_FILE "/shm" // 共享内存对象名称（必须以/开头）#define SHARED_MEMORY_SIZE sizeof(SafeObj)// 带同步机制的共享对象class SafeObj {public:void InitObj() {// 初始化进程间共享的互斥锁pthread_mutexattr_t mattr;pthread_mutexattr_init(&mattr);// 设置锁为进程间共享（默认仅线程间共享）pthread_mutexattr_setpshared(&mattr, PTHREAD_PROCESS_SHARED);pthread_mutex_init(&lock, &mattr);// 初始化进程间共享的条件变量pthread_condattr_t cattr;pthread_condattr_init(&cattr);pthread_condattr_setpshared(&cattr, PTHREAD_PROCESS_SHARED);pthread_cond_init(&cond, &cattr);// 清空缓冲区memset(buffer, 0, sizeof(buffer));}void CleanupObj() {pthread_mutex_destroy(&lock);pthread_cond_destroy(&cond);}// 加锁/解锁/等待/通知接口void LockObj() { pthread_mutex_lock(&lock); }void UnlockObj() { pthread_mutex_unlock(&lock); }void Wait() { pthread_cond_wait(&cond, &lock); }void Signal() { pthread_cond_signal(&cond); }void BroadCast() {int n = pthread_cond_broadcast(&cond);std::cout << (n == 0 ? "广播成功" : "广播失败") << std::endl;}// 数据读写接口void GetContent(std::string *out) { *out = buffer; }void SetContent(const std::string &in) {memset(buffer, 0, sizeof(buffer));strncpy(buffer, in.c_str(), in.size());}private:pthread_mutex_t lock;       // 进程间互斥锁pthread_cond_t cond;        // 进程间条件变量char buffer[SIZE];          // 共享缓冲区};// 共享内存管理基类class MmapMemory {public:MmapMemory(const std::string &file, int size): _file(file), _size(size), _fd(-1), _mmap_addr(nullptr) {}~MmapMemory() {if (_fd > 0) close(_fd);if (_mmap_addr != MAP_FAILED) {munmap(_mmap_addr, _size);std::cout << "munmap完成" << std::endl;}}// 打开共享内存对象void OpenFile() {_fd = shm_open(_file.c_str(), O_CREAT | O_RDWR, 0666);if (_fd < 0) {perror("shm_open");exit(1);}}// 调整共享内存大小void TruncSharedMemory() {if (ftruncate(_fd, _size) < 0) {perror("ftruncate");exit(2);}}// 执行mmap映射void *Mmap() {_mmap_addr = mmap(nullptr, _size, PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED, _fd, 0);if (_mmap_addr == MAP_FAILED) {perror("mmap");exit(3);}return _mmap_addr;}// 删除共享内存对象（仅服务端调用）void RemoveFile() {if (shm_unlink(_file.c_str()) < 0) {perror("shm_unlink");exit(4);}}void *MmapAddr() { return _mmap_addr; }private:int _fd;int _size;std::string _file;void *_mmap_addr;};// 服务端：创建共享内存，等待客户端消息class MmapMemoryServer : public MmapMemory {public:MmapMemoryServer() : MmapMemory(SHARED_MEMORY_FILE, SHARED_MEMORY_SIZE) {OpenFile();TruncSharedMemory();Mmap();obj = static_cast<SafeObj *>(MmapAddr());obj->InitObj();}~MmapMemoryServer() {obj->CleanupObj();RemoveFile();}// 接收客户端消息void RecvMessage(std::string *out) {obj->LockObj();obj->Wait(); // 等待客户端通知obj->GetContent(out);obj->UnlockObj();}private:SafeObj *obj;};// 客户端：连接共享内存，发送消息class MmapMemoryClient : public MmapMemory {public:MmapMemoryClient() : MmapMemory(SHARED_MEMORY_FILE, SHARED_MEMORY_SIZE) {OpenFile();Mmap();obj = static_cast<SafeObj *>(MmapAddr());}// 发送消息给服务端void SendMessage(const std::string &in) {obj->LockObj();obj->SetContent(in);obj->BroadCast(); // 通知所有等待的服务端进程obj->UnlockObj();}private:SafeObj *obj;};

2.3 服务端实现（多进程等待）

// Server.cc
#include "SharedMem.hpp"
#include <sys/wait.h>// 子进程逻辑：等待并处理消息void Active(MmapMemoryServer &svr, std::string processname) {std::cout << "进程启动：" << processname << std::endl;std::string who;while (true) {svr.RecvMessage(&who);// 处理目标进程消息或广播消息if (who == processname || who == "all") {std::cout << processname << " 被激活！" << std::endl;}// 退出指令if (who == "end") {std::cout << processname << " 退出！" << std::endl;break;}}}int main() {MmapMemoryServer svr;// 创建10个子进程for (int i = 0; i < 10; i++) {pid_t id = fork();if (id == 0) {std::string name = "process-" + std::to_string(i);Active(svr, name);exit(0);}}// 主进程也参与等待Active(svr, "process-main");// 等待所有子进程退出for (int i = 0; i < 10; i++) {wait(nullptr);}return 0;}

2.4 客户端实现（发送控制消息）

// Client.cc
#include "SharedMem.hpp"
#include <string>#include <iostream>int main() {MmapMemoryClient cli;std::string who;while (true) {std::cout << "请输入目标进程（process-0~9/all/end）：";std::getline(std::cin, who);cli.SendMessage(who);if (who == "end") {break;}}return 0;}

2.5 编译运行与效果

编译脚本（Makefile）

.PHONY: all clean
all: server client
server: Server.ccg++ -o $@ $^ -lpthread -lrt -std=c++11 -g
client: Client.ccg++ -o $@ $^ -lpthread -lrt -std=c++11 -g
clean:rm -f server client

运行步骤

1. 启动服务端：./server
2. 启动客户端（新终端）：./client
3. 客户端输入指令：
   • 输入process-3：仅process-3被激活
   • 输入all：所有进程被激活
   • 输入end：所有进程退出

运行效果：

# 服务端输出
进程启动：process-0
进程启动：process-1
...
process-3 被激活！
所有进程 被激活！
process-0 退出！
process-1 退出！
...

三、mmap高级应用：实现大文件LRU缓存

对于GB级大文件，直接加载到内存不现实。利用mmap映射文件块，结合LRU（最近最少使用）算法，可实现高效的文件缓存，提升随机访问性能。

3.1 设计思路

• 数据结构：
  • 双向链表（std::list）：存储缓存的文件块，按访问顺序排序（最近访问的在头部）。
  • 哈希表（std::unordered_map）：快速查找文件块是否在缓存中，映射偏移量到链表节点。
• 缓存单元：每个缓存单元对应一个4KB的文件块，包含偏移量、映射地址、状态等信息。
• LRU策略：缓存满时，淘汰链表尾部（最久未使用）的文件块，取消其mmap映射。

3.2 核心封装：LRU缓存实现

// LRUCache.hpp
#pragma once
#include <iostream>#include <string>#include <cstring>#include <list>#include <memory>#include <unordered_map>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <unistd.h>#include <fcntl.h>#include <sys/mman.h>namespace LRUCache {// 4KB地址对齐（清除低12位）#define BLOCK_ADDR_ALIGN(off) (off & ~(0xFFF))// 块状态标志#define NORMAL (1 << 0)  // 普通状态#define NEW (1 << 1)     // 新加入缓存#define VISIT (1 << 2)   // 被访问#define DELETE (1 << 3)  // 待删除const int gblocksize = 4096;    // 缓存块大小（4KB）const int gcapacity = 3;        // 最大缓存块数量（可调整）const int gdefaultfd = -1;// 文件块缓存单元class DataBlock {public:DataBlock(off_t off, off_t size): _off(off), _size(size), _addr(nullptr), _status(NEW) {}// 映射文件块到内存bool DoMap(int fd) {_addr = mmap(nullptr, _size, PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED, fd, _off);if (_addr == MAP_FAILED) {perror("mmap");return false;}std::cout << "mmap成功：偏移量" << _off << "，地址" << _addr << std::endl;return true;}// 取消映射bool DoUnmap() {if (munmap(_addr, _size) < 0) {perror("munmap");return false;}std::cout << "munmap成功：偏移量" << _off << std::endl;return true;}// 状态操作void Status2Normal() { _status = NORMAL; }void Status2Visit() { _status = VISIT; }bool IsNew() { return _status & NEW; }bool IsVisit() { return _status & VISIT; }// 获取属性off_t Off() { return _off; }void *Addr() { return _addr; }off_t Size() { return _size; }// 调试打印void DebugPrint() {std::cout << "偏移量：" << _off<< "，大小：" << _size<< "，地址：" << _addr<< "，状态：" << (_status & NEW ? "NEW " : "")<< (_status & VISIT ? "VISIT " : "")<< (_status & NORMAL ? "NORMAL" : "") << std::endl;}private:off_t _off;     // 文件块起始偏移量（4KB对齐）off_t _size;    // 文件块大小void *_addr;    // 映射后的虚拟地址unsigned _status;// 块状态};// LRU文件缓存主类class FileCache {public:FileCache(const std::string &file): _file(file), _fd(gdefaultfd), _total(0), _cachemaxnum(gcapacity) {// 打开文件（必须存在）_fd = open(_file.c_str(), O_RDWR);if (_fd < 0) {perror("open");return;}// 获取文件总大小struct stat st;if (fstat(_fd, &st) < 0) {perror("fstat");return;}_total = st.st_size;std::cout << "文件大小：" << _total << "字节" << std::endl;}~FileCache() {if (_fd != gdefaultfd) {close(_fd);}// 释放所有缓存块的映射for (auto &block : _cache) {block->DoUnmap();}}// 获取指定偏移量的文件块（核心接口）std::shared_ptr<DataBlock> GetBlock(off_t off) {// 1. 检查偏移量合法性if (!IsOffLegal(off)) {std::cerr << "偏移量非法：" << off << std::endl;return nullptr;}// 2. 4KB对齐偏移量（确保块起始地址正确）off = BLOCK_ADDR_ALIGN(off);// 3. 检查缓存是否命中if (IsCached(off)) {// 命中：标记为已访问，触发LRU调整_hash[off]->Status2Visit();} else {// 未命中：加载文件块到缓存DoCache(off);}// 4. 执行LRU策略（调整顺序或淘汰）DoLRU(off);return _hash[off];}// 打印缓存内容void PrintCache() {std::cout << "\n---------缓存内容---------" << std::endl;for (auto &block : _cache) {block->DebugPrint();}std::cout << "--------------------------\n" << std::endl;}private:// 检查偏移量是否在文件范围内bool IsOffLegal(off_t off) { return off < _total; }// 检查块是否已缓存bool IsCached(off_t off) { return _hash.find(off) != _hash.end(); }// 检查缓存是否已满bool IsCacheFull() { return _cache.size() > _cachemaxnum; }// 根据偏移量计算块大小（最后一块可能不足4KB）off_t GetSizeFromOff(off_t off) {if (off + gblocksize > _total) {return _total - off; // 剩余字节数}return gblocksize;}// 加载文件块到缓存void DoCache(off_t off) {off_t blocksize = GetSizeFromOff(off);// 创建文件块并映射到内存auto block = std::make_shared<DataBlock>(off, blocksize);if (!block->DoMap(_fd)) {return;}// 添加到哈希表和链表头部（新块优先级最高）_hash[off] = block;_cache.push_front(block);}// 执行LRU策略void DoLRU(off_t off) {auto block = _hash[off];if (!block) return;if (block->IsNew()) {// 新块：标记为普通状态，缓存满则淘汰尾部block->Status2Normal();if (IsCacheFull()) {// 淘汰最久未使用的块（链表尾部）auto &last = _cache.back();std::cout << "缓存满，淘汰块：" << last->Off() << std::endl;last->DoUnmap();_hash.erase(last->Off());_cache.pop_back();}} else if (block->IsVisit()) {// 已访问块：移动到链表头部（更新访问顺序）block->Status2Normal();_cache.remove(block);_cache.push_front(block);std::cout << "块" << off << "移动到缓存头部" << std::endl;}}private:std::string _file;                                  // 文件名int _fd;                                            // 文件描述符off_t _total;                                       // 文件总大小std::list<std::shared_ptr<DataBlock>> _cache;       // 缓存链表（LRU顺序）std::unordered_map<off_t, std::shared_ptr<DataBlock>> _hash; // 哈希表（快速查找）int _cachemaxnum;                                   // 最大缓存块数};}

3.3 测试代码

// Main.cc
#include "LRUCache.hpp"
#include <iostream>using namespace LRUCache;int main(int argc, char *argv[]) {if (argc != 2) {std::cerr << "Usage: " << argv[0] << " filename" << std::endl;return 1;}// 1. 创建测试大文件（可选：dd if=/dev/zero of=log.txt bs=4096 count=10）std::string filename = argv[1];FileCache fc(filename);// 2. 测试加载10个不同的块（缓存最大3个，触发淘汰）int count = 0;while (count < 10) {off_t off = count * gblocksize;std::cout << "\n加载块：" << off << std::endl;fc.GetBlock(off);fc.PrintCache();count++;sleep(1);}// 3. 测试访问已缓存的块（触发LRU调整）while (true) {off_t off;std::cout << "请输入要访问的偏移量（4KB倍数）：";std::cin >> off;auto block = fc.GetBlock(off);if (block) {std::cout << "访问成功，块地址：" << block->Addr() << std::endl;}fc.PrintCache();}return 0;}

3.4 编译运行与效果

编译脚本（Makefile）

lrucache: Main.ccg++ -o $@ $^ -std=c++17 -g
.PHONY: clean
clean:rm -f lrucache

运行步骤

1. 创建测试大文件（10个4KB块，共40KB）：

   dd if=/dev/zero of=log.txt bs=4096 count=10

2. 运行缓存程序：

   ./lrucache log.txt

模拟运行效果：

文件大小：40960字节
加载块：0
mmap成功：偏移量0，地址0x7ffff7ffb000
---------缓存内容---------
偏移量：0，大小：4096，地址：0x7ffff7ffb000，状态：NORMAL
--------------------------
加载块：4096
mmap成功：偏移量4096，地址0x7ffff7fca000
---------缓存内容---------
偏移量：4096，大小：4096，地址：0x7ffff7fca000，状态：NORMAL
偏移量：0，大小：4096，地址：0x7ffff7ffb000，状态：NORMAL
--------------------------
# 缓存满（3个块），加载第4个块时淘汰最久未使用的块0
加载块：12288
mmap成功：偏移量12288，地址0x7ffff7fc9000
缓存满，淘汰块：0
munmap成功：偏移量0
---------缓存内容---------
偏移量：12288，大小：4096，地址：0x7ffff7fc9000，状态：NORMAL
偏移量：8192，大小：4096，地址：0x7ffff7fcb000，状态：NORMAL
偏移量：4096，大小：4096，地址：0x7ffff7fca000，状态：NORMAL
--------------------------

四、总结与进阶方向

mmap作为Linux系统的核心技术，其应用场景覆盖文件I/O、进程通信、内存管理、缓存设计等多个领域。本文通过三个实战案例，从基础到高级，完整展现了mmap的核心用法：

1. 基础用法：文件映射读写，替代传统read/write，提升I/O效率。
2. 进程通信：结合共享内存和同步机制，实现高效的IPC通信。
3. 高级应用：大文件LRU缓存，解决大文件随机访问性能问题。

关键注意事项

1. 映射长度和偏移量必须是系统页大小（默认4KB）的整数倍。
2. 共享映射（MAP_SHARED）需确保文件以可写模式打开，否则修改无法同步。
3. 进程间共享锁/条件变量时，必须设置PTHREAD_PROCESS_SHARED属性。
4. 用完映射后需调用munmap释放，否则会造成内存泄漏。

进阶学习方向

1. 性能优化：结合msync控制共享映射的同步时机，平衡性能与数据一致性。
2. 异常处理：处理信号中断、文件截断、映射区域越界等异常场景。
3. 扩展应用：实现共享内存池、零拷贝网络传输、内存映射数据库等高级场景。
4. 跨平台兼容：研究Windows系统的CreateFileMapping，实现跨平台的内存映射方案。