30、性能优化：减少系统调用、使用大缓冲区、mmap内存映射文件

文件IO的性能问题，说白了就是「用户态」和「内核态」之间来回折腾的成本。我早年做嵌入式日志系统时，就吃过这个亏——每秒几万条日志，每条都调一次 write()，结果CPU全耗在上下文切换上了。今天咱们就聊聊三个最实用的优化手段。

30.1 减少系统调用——别让内核太忙

每次 read() 或 write() 都是一次系统调用。系统调用意味着什么？用户态切内核态，再切回来。一次两次无所谓，但高频场景下，这个开销就非常可观了。

我见过最夸张的案例：某同学写了个网络抓包工具，每次收到一个包就 write() 一次磁盘。结果抓包速度还没磁盘写入快，丢包率高达30%。后来改成批量写入，问题直接解决。

举个例子，你要写1000个整数到文件：

// 糟糕的做法：每次写一个整数
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    write(fd, &data[i], sizeof(int));  // 1000次系统调用
}

// 好的做法：攒一批再写
write(fd, data, 1000 * sizeof(int));  // 1次系统调用

你想想看，1000次系统调用和1次系统调用，差距有多大？实测下来，后者速度能快几十倍。

30.2 使用大缓冲区——给数据找个「中转站」

减少系统调用最直接的办法，就是用缓冲区。C标准库的 fread()/fwrite() 就是这么干的——它们内部维护了一个缓冲区，攒够了才真正调用系统函数。

我个人习惯，做文件IO时优先用标准库函数，而不是裸调 read()/write()。除非有特殊需求，比如需要直接控制磁盘写入时机。

缓冲区大小	写入100MB耗时（约）	系统调用次数
1字节	> 10秒	1亿次
4KB（默认页大小）	~0.5秒	25600次
1MB	~0.2秒	100次

看到没？缓冲区从1字节涨到4KB，性能提升20倍以上。再往上提，收益就递减了。我一般选4KB~64KB，具体看场景。

30.3 mmap内存映射文件——把文件当内存用

这个就厉害了。mmap() 把磁盘文件直接映射到进程的虚拟地址空间。你读写这块内存，操作系统自动帮你同步到磁盘。说白了，就是「文件即内存，内存即文件」。

我曾在项目里用 mmap 处理一个2GB的配置文件。如果用传统 read()，得先分配2GB内存，再读进来，内存压力很大。用 mmap 呢？只映射，不实际加载，按需缺页。内存占用几乎为零，速度还快。

#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

int fd = open("data.bin", O_RDWR);
if (fd == -1) {
    perror("open");
    return -1;
}

// 获取文件大小
off_t size = lseek(fd, 0, SEEK_END);

// 映射整个文件
void *addr = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE,
                  MAP_SHARED, fd, 0);
if (addr == MAP_FAILED) {
    perror("mmap");
    close(fd);
    return -1;
}

// 现在可以直接读写这块内存
int *data = (int *)addr;
data[0] = 42;  // 直接修改文件内容

// 用完记得解除映射
munmap(addr, size);
close(fd);

30.4 三种方案怎么选？

我画了张图，帮你理清思路：

30.5 避坑指南

我曾经在某个项目里，用 mmap 映射了一个不断增长的文件。结果文件写完了，映射区域没更新，读到的全是旧数据。后来才意识到，mmap 映射的是映射那一刻的文件大小，文件增长后需要重新 mmap。

还有一次，我图省事把 MAP_SHARED 写成了 MAP_PRIVATE。结果修改了内存，文件纹丝不动。嗯，这个坑踩得值，从此再没犯过。

说白了，性能优化就是「空间换时间」和「批量处理」这两个思路。你想想看，系统调用再快，也快不过内存操作。能少进内核就少进，能一次搞定就别分多次。做到这几点，你的文件IO性能基本就稳了。