八、文件IO——存储映射

8.1 存储映射介绍

8.1.1 概念

　　存储映射是一个磁盘文件与存储空间的一个缓存相映射，对缓存数据的读写就相应的完成了文件的读写。

　　

　　文件操作部分映射到虚拟内存的一块区域，我们对虚拟内存映射的那块区域进行读写操作，读写之后，那块区域自动同步到文件当中。

　　4G空间分布：

　　

　　共享内存映射区就是文件映射到的内存区。

8.1.2 mmap---建立内存映射

#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
//mmap（建立内存映射）
void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd,off_t offsize);

• 函数说明
  • mmap()用来将某个文件内容映射到内存中，对该内存区域的存取即是直接对该文件内容的读写。
  • 作用就是 使一个磁盘文件与存储空间中的一个缓存相映射
  • mmap 函数从缓存中获取数据，就相当于读文件中的相应字节。与其类似，将数据存入缓存，则相应字节就自动地写入文件。这样，就可以再不使用 read 和 write 的情况下执行 I/O
  • 子进程继承父进程的映射
• 参数说明：
  • @start：指向欲对应的内存起始地址，通常设为NULL或0，代表让系统自动选定地址，对应成功后该地址会返回。
  • @length：代表将文件中多大的部分对应到内存。需要映射的字节数
  • @ prot：代表映射区域的保护方式，有下列组合：
    • PROT_EXEC 　　映射区域可被执行
    • PROT_READ 　　映射区域可被读取
    • PROT_WRITE      映射区域可被写入
    • PROT_NONE       映射区域不能访问
  • @flags：会影响映射区域的各种特性
    • MAP_FIXED：如果参数 start 所指的地址无法成功建立映射时，则放弃映射，不对地址做修正。通常不鼓励用此标志。
    • MAP_SHARED：对映射区域的写入数据会复制回文件内，而且允许其他映射该文件的进程共享。存储操作立刻修改映射文件内容
    • MAP_PRIVATE：对映射区域的写入操作会产生一个映射文件的复制，即私人的“写入时复制”（copy on write）对此区域作的任何修改都不会写回原来的文件内容。存储操作导致创建映射文件的副本，并对副本读写
    • MAP_ANONYMOUS：建立匿名映射。此时会忽略参数fd，不涉及文件，而且映射区域无法和其他进程共享。
    • MAP_DENYWRITE：只允许对映射区域的写入操作，其他对文件直接写入的操作将会被拒绝。
    • MAP_LOCKED：将映射区域锁定住，这表示该区域不会被置换（swap）。
    • 在调用mmap()时必须要指定MAP_SHARED 或MAP_PRIVATE。
  • @fd：为 open() 返回的文件描述词，代表欲映射到内存的文件。
  • @offset：为文件映射的偏移量，通常设置为0，代表从文件最前方开始对应，offset 必须是分页大小的整数倍。
• 返回值
  • 若映射成功则返回映射区的内存起始地址，否则返回MAP_FAILED(－1)，错误原因存于errno 中。
• 错误代码
  • EBADF 参数fd 不是有效的文件描述词
  • EACCES 存取权限有误。如果是MAP_PRIVATE 情况下文件必须可读，使用 MAP_SHARED 则要有 PROT_WRITE 以及该文件要能写入。
  • EINVAL 参数start、length 或offset有一个不合法。
  • EAGAIN 文件被锁住，或是有太多内存被锁住。
  • ENOMEM 内存不足。

8.1.3 munmap---解除内存映射

#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
//munmap（解除内存映射）    
int munmap(void *start,size_t length);

• 函数说明
  • munmap() 用来取消参数 start 所指的映射内存起始地址，参数length 则是欲取消的内存大小。
  • 当进程结束或利用 exec 相关函数来执行其他程序时，映射内存会自动解除，但关闭对应的文件描述符时不会解除映射。
• 返回值
  • 如果解除映射成功则返回0，否则返回－1，错误原因存于 errno 中
• 错误代码
  • EINVAL     参数 start或length 不合法。

8.2 例子

（1）写字符

　　通过存储映射向文件中写入若干个字符。（文件中必须开辟空间供存储映射区同步，就相当于在写入的区域做一块空洞文件，然后将空洞文件映射到存储映射区）

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>

int main(int argc, const char *argv[])
{
    if(argc < 2) {
        printf("usage: %s file\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    int fd = open(argv[1], O_RDWR);
    if(fd < 0){
        perror("open error");
        exit(1);
    }
    

    //在19个字节处写入一个0
    lseek(fd, 19, SEEK_END);
    write(fd, "0", 1);

    char *addr;
    //进行存储映射
    addr = mmap(0, 20, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if(addr < 0) {
        perror("mmap error");
        exit(1);
    }

    //修改存储映射区的内容
    int i;
    for(i = 0; i < 20; i++)
    {
        *(addr + i) = 'A' + i;
    }
    printf("write success\n");

    //解除映射
    munmap(addr, 0);

    close(fd);

    return 0;
}

　　程序运行结果：

　　

（2）文件的拷贝

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>

int main(int argc, const char *argv[])
{
    if(argc < 3) {
        printf("usage: %s srcfile destfile\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    int src_fd;
    int dest_fd;

    if((src_fd = open(argv[1], O_RDONLY)) < 0) {
        perror("open error");
        exit(1);
    }

    if((dest_fd = open(argv[2], O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0777)) < 0) {
        perror("open error");
        exit(1);
    }

    // 定位到文件尾部，返回一个偏移量，反应文件长度
    long len = lseek(src_fd, 0, SEEK_END);
    printf("len: %ld\n", len);

    // 在文件开始处跳过 len-1 个字节
    lseek(dest_fd, len-1, SEEK_SET);
    write(dest_fd, "0", 1); //创建了目标文件的空洞文件

    char *src_map = mmap(0, len, PROT_READ, MAP_SHARED, src_fd, 0);
    if(src_map < 0) {
        perror("mmap error");
        exit(1);
    }

    char *dest_map = mmap(0, len, PROT_WRITE, MAP_SHARED, dest_fd, 0);
    if(dest_map < 0) {
        perror("mmap error");
        exit(1);
    }

    //存储映射区的复制并同步到文件中
    memcpy(dest_map, src_map, len);
    munmap(src_map, 0);
    munmap(dest_map, 0);

    close(src_fd);
    close(dest_fd);

    return 0;
}

　　运行结果：