Memory-mapped I/O

存储映射I/O使一个磁盘文件与存储空间中的一个缓冲区相映射。对缓冲区的操作，相当于对文件的操作。从缓冲区取数据，相当于读文件中的相应文件；将数据写入缓冲区，则数据自动地写入文件。这样就可以在不使用read和write的情况下执行I/O。

mmap

为了使用这一功能，应首先告诉内核将一个文件映射到一个存储区域中。这一任务由mmap函数实现，其函数原型与所在头文件如下：

#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
void *mmap64(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off64_t offset);
// 成功，返回映射区域的起始地址；失败，返回MAP_FAILED[(void *) -1]，并设置errno。

       mmap在虚拟地址空间中创建一个映射。
       函数mmap() 与函数 mmap64() 的区别在最后一个参数，可以使应用程序访问更大的文件。
       每个参数及含义如下：

参数	描述
addr	映射存储区的起始地址。
length	存储区长度，单位：字节。
prot	对映射存储区的保护要求。
flags	确定映射的更新对映射相同区域的其他进程是否可见，以及是否对文件执行更新。
fd	要映射文件的文件描述符。
offset	要映射字节在文件中的起始偏移量。

相关参数的详细信息：
addr: 通常设置为0。

addr	描述
0(NULL)	由内核选择该映射区的起始地址。
非空	若未设置MAP_FIXED，内核将此视作在何处开辟映射区的一个建议，并不一定使用它，Linux将在页边界附近创建映射。若设置了MAP_FIXED，则在指定的位置开辟映射区。

prot: 指定映射存储区的保护要求不能超过文件open模式访问权限，若文件是使用O_RDONLY打开的，那么对映射存储区就不能指定PROT_WRITE，否则，对映射区执行写操作时，将产生SIGSEGV信号，发生Segment Fault。prot的取值如下表，可取任意一个或任意组合的按位或。

prot	描述
PROT_EXEC	映射区可执行。
PROT_READ	映射区可读。
PROT_WRITE	映射区可写。
PROT_NONE	映射区不可访问。

flags: 其值通常为MAP_SHARED。其他常用值如下表：

flags	描述
MAP_SHARED	共享存储区。存储操作将修改映射文件，即此映射区的存储操作相当于对该文件的写操作。调用msync() 或 munmap()之前，文件可能并未被更新。
MAP_PRIVATE	对映射区的存储操作导致创建该映射文件的一个私有副本。(Create a private copy-on-write mapping.) 所有后来对该映射区的引用都是引用该副本，而不是原始文件。
MAP_FIXED	返回值必须等于addr，即在指定的addr处开辟映射区。移植性差，不鼓励使用此标志。

还有其他的一些标志，详见mmap手册。

MAP_SHARED和MAP_PRIVATE是POSIX所要求的。在遵循POSIX的系统中，对MAP_FIXED的支持是可选的，遵循XSI的系统则要求支持此标志。

addr 和 offset通常应该是系统虚拟页长度的倍数。虚拟页长可使用带参数 _SC_PAGESIZE 或 _SC_PAGE_SIZE 的 sysconf 函数获取。addr 和 offset 通常设置为0，所以这种要求一般并不重要。

mprotect

创建映射存储区后，其保护权限可以通过 mprotect() 函数来更改。其原型如下：

int mprotect(const void *addr, size_t len, int prot);
// 成功，返回0；失败，返回-1，并设置errno。

参数及意义同函数 mmap() 。

msync

此函数可以将映射存储区中被修改的内容冲洗到被映射的文件中。其原型如下：

int msync(void *addr, size_t length, int flags);
// 成功，返回0；失败，返回-1，并设置errno。

如果映射是私有的，那么不修改被映射的文件。
flags参数使我们对如何冲洗存储区有某种程度的控制。其可用取值如下：

flags	描述
MS_ASYNC	设定了更新计划，函数调用立即返回。简化被写页的调度。
MS_SYNC	在此函数返回前等待写操作完成。
MS_INVALIDATE	可选项。要求使同一文件的其他映射无效。

可以使用按位或的方式使用这些值，但不能同时指定 MS_ASYNC 与 MS_SYNC 。

munmap

要解除映射，一是终止进程，二是调用 munmap() 函数，关闭文件描述符并不解除映射区。munmap() 函数的原型如下：

int munmap(void *addr, size_t length);
// 成功，返回0；失败，返回-1，并设置errno。

相关示例可以查看mmap的手册。

将一个普通文件复制到另一个普通文件中时，存储映射I/O比较快。但是有一些限制，例如，不能用其在某些设备(如网络设备或终端设备)之间进行复制，并且在对被复制的文件进行映射后，也要注意该文件的长度是否改变。尽管如此，某些应用程序会从存储映射I/O得到好处，因为它处理的是存储空间而不是读、写一个文件，所以常常可以简化算法。从存储映射I/O中得益的一个例子是对帧缓冲区设备的操作，该设备引用一个位图式显示(bitmapped display)。

mmap

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mprotect

msync

munmap

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