15、内存映射mmap：文件映射与匿名映射、大块内存分配

说到动态内存管理，大家第一反应肯定是 malloc、free 这些老朋友。但说实话，当你需要分配超大块内存，或者想在进程间共享数据时，这些常规手段就不太够用了。这时候，mmap 就该登场了。

我个人习惯把 mmap 看作是操作系统给我们的一把“瑞士军刀”。它既能处理文件，又能分配内存，还能搞共享。今天我们就把它掰开揉碎了讲清楚。

15.1 什么是mmap？

mmap 的全称是 memory map，也就是内存映射。它的核心思想很简单：把文件或者设备的一部分，直接映射到进程的虚拟地址空间里。这样一来，你读写内存就像在读写文件，反之亦然。

你想想看，这省掉了多少中间环节？不用 read、write 系统调用，不用用户态和内核态之间的数据拷贝。说白了，就是让文件操作变得跟内存操作一样快。

15.2 两种映射模式

根据映射的对象不同，mmap 分为两种模式。我在项目中都遇到过，各有各的妙用。

15.2.1 文件映射

文件映射就是把一个打开的文件映射到内存里。最常见的场景就是大文件读写。我记得有一次处理一个 4GB 的日志文件，用 fread 读到内存里直接 OOM 了。换成 mmap 后，问题迎刃而解。

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

int main() {
    int fd = open("large_file.dat", 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
    char *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 addr 了
    printf("文件第一个字节: %c\n", addr[0]);
    addr[0] = 'A';  // 修改会同步回文件

    // 解除映射
    munmap(addr, size);
    close(fd);
    return 0;
}

15.2.2 匿名映射

匿名映射不关联任何文件，纯粹用来分配内存。它跟 malloc 的区别在于：mmap 分配的内存是页对齐的，而且可以指定权限。我曾经用它来实现一个共享内存的缓存系统，效果非常好。

#include <sys/mman.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    // 分配 1MB 匿名内存
    size_t size = 1024 * 1024;
    char *buf = mmap(NULL, size,
                     PROT_READ | PROT_WRITE,
                     MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS,
                     -1, 0);
    if (buf == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        return 1;
    }

    // 使用这块内存
    strcpy(buf, "Hello from anonymous mmap!");
    printf("%s\n", buf);

    // 释放
    munmap(buf, size);
    return 0;
}

15.3 大块内存分配

为什么说 mmap 适合大块内存分配？这得从 malloc 的实现说起。当 malloc 分配超过 128KB 的内存时，它底层其实也是调用 mmap 来完成的。嗯，这里要注意：malloc 是个通用接口，而 mmap 是它的“幕后英雄”。

直接使用 mmap 分配大块内存有几个好处：

• 页对齐：分配的内存起始地址一定是页边界（通常是 4KB），这对某些硬件操作很友好。
• 独立释放：用 mmap 分配的内存可以单独用 munmap 释放，不会影响堆里的其他内存块。
• 权限控制：你可以指定只读、读写、可执行等权限，比 malloc 灵活得多。

我曾经在做一个视频处理项目时，需要分配几百 MB 的帧缓冲区。用 malloc 分配这么大的连续内存，有时候会失败。改用 mmap 后，再也没出过问题。

15.4 知识体系图

下面这张图帮你理清 mmap 的核心脉络：

15.5 使用建议与避坑

最后，分享一些我在实际项目中积累的经验：

• 不要频繁调用 mmap/munmap：每次映射和解除映射都是系统调用，开销不小。如果频繁分配小块内存，还是用 malloc 更合适。
• 注意文件大小变化：如果映射后文件被截断，访问超出部分会触发 SIGBUS 信号。我曾经因为这个 bug 排查了一整天。
• 多进程共享要加同步：用 MAP_SHARED 做进程间通信时，记得用互斥锁或信号量保护共享数据。
• 32位系统有地址空间限制：在 32 位系统上，进程虚拟地址空间只有 4GB，映射大文件时可能不够用。64 位系统基本不用担心。

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