一、内存映射(mmap) — 让文件像内存一样访问

大家好，我是你们的嵌入式讲师。今天我们来聊聊 Linux 下非常实用的一个机制——mmap。说实话，我最早接触 mmap 是在做视频采集卡驱动的时候，那时候需要把硬件采集的帧数据快速传给用户态程序，用 read/write 效率太低了。后来发现 mmap 简直就是为这种场景量身定做的。

1.1 mmap 的概念与原理

mmap，全称 memory map，中文叫内存映射。说白了，就是把一个文件或者一段物理内存，映射到进程的虚拟地址空间里。映射完成后，你操作这块内存，就相当于在操作文件。

为什么会这样？因为 Linux 内核帮你把文件内容和虚拟内存页关联起来了。你读内存页，内核自动从磁盘加载数据；你写内存页，内核在背后帮你同步回磁盘。这一切对应用程序是透明的。

我画了一张图，帮你理解 mmap 的映射关系：

你看，两个进程各自有虚拟地址空间，但通过 mmap 映射到了同一块物理内存或同一个文件。这就是 mmap 实现进程间通信（IPC）的基础。

1.2 mmap 的创建与参数详解

创建 mmap 的核心函数就一个：mmap()。它的原型长这样：

#include <sys/mman.h>

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

六个参数，一个都不能错。我一个个讲，顺便说说我踩过的坑。

参数	含义	个人经验
addr	建议的映射起始地址，传 NULL 让内核选	我从来都传 NULL，省心
length	映射长度，单位字节	必须是页大小的整数倍？不一定，但建议对齐
prot	保护标志：PROT_READ / PROT_WRITE / PROT_EXEC / PROT_NONE	读写就 PROT_READ|PROT_WRITE
flags	映射类型：MAP_SHARED / MAP_PRIVATE / MAP_ANONYMOUS 等	IPC 必须用 MAP_SHARED，否则白忙活
fd	文件描述符，匿名映射传 -1	记得先 open 文件，别传错了
offset	文件偏移，必须是页大小的整数倍	我曾经传了非对齐值，mmap 直接返回 MAP_FAILED

1.3 mmap 的读写操作

映射完成后，读写就简单了——直接操作指针。来看个例子：

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

int main() {
    // 打开文件
    int fd = open("test.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0644);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        exit(1);
    }

    // 设置文件大小
    ftruncate(fd, 4096);

    // 创建映射
    char *map = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (map == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        close(fd);
        exit(1);
    }

    // 写数据 —— 直接内存操作
    strcpy(map, "Hello, mmap! 这是通过内存映射写入的。");

    // 读数据 —— 也是直接内存操作
    printf("读取到: %s\n", map);

    // 清理
    munmap(map, 4096);
    close(fd);
    return 0;
}

你看，代码里没有 read、write 系统调用，就是 memcpy 和 printf。效率高在哪？省去了内核缓冲区和用户缓冲区之间的数据拷贝。

1.4 mmap 的同步 — msync

这里有个关键问题：你写入了内存，数据什么时候落到磁盘？

对于 MAP_SHARED 映射，内核会在后台择机回写。但如果你需要确保数据立即落盘——比如写日志、写数据库——就得主动调用 msync。

int msync(void *addr, size_t length, int flags);

flags 有三个选项：

• MS_ASYNC：异步写，函数立即返回，内核慢慢写
• MS_SYNC：同步写，等数据写完了才返回
• MS_INVALIDATE：使其他映射失效，慎用

1.5 mmap 的解除 — munmap

用完了要释放，调用 munmap：

int munmap(void *addr, size_t length);

参数就是 mmap 返回的地址和长度。注意：

• munmap 后，再访问那块内存就是非法操作，会段错误
• 进程退出时，内核会自动解除所有映射，但显式调用是好习惯
• 如果 fork 了子进程，子进程会继承映射，但 munmap 只影响调用者

1.6 mmap 在 IPC 中的应用

这才是重头戏。两个进程通过 mmap 共享同一块内存，就能通信了。有两种方式：

方式一：文件映射

两个进程打开同一个文件，都用 MAP_SHARED 映射。一个进程写，另一个进程读。适合有血缘关系或无血缘关系的进程。

方式二：匿名映射

用 MAP_ANONYMOUS | MAP_SHARED，不需要文件描述符。但只能用于有亲缘关系的进程（父子进程）。

// 父进程
int *shared = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE,
                   MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
*shared = 0;

if (fork() == 0) {
    // 子进程
    (*shared)++;  // 修改共享变量
    printf("子进程: shared = %d\n", *shared);
    exit(0);
}

// 父进程
wait(NULL);
printf("父进程: shared = %d\n", *shared);  // 能看到子进程的修改

运行结果：

子进程: shared = 1
父进程: shared = 1

看到了吗？父子进程通过匿名映射共享了一个 int 变量。这就是最简单的 mmap IPC。

1.7 mmap 与共享内存的对比

很多初学者会问：mmap 和 System V 共享内存（shmget）有什么区别？我整理了一张表：

对比项	mmap	System V 共享内存 (shmget)
创建方式	mmap() + 文件或匿名	shmget() + shmat()
持久性	依赖文件（文件映射）或进程生命周期（匿名）	内核对象，显式删除前一直存在
同步机制	需要自己加锁（互斥锁、信号量）	同样需要自己加锁
使用场景	文件 I/O 加速、大文件处理、简单 IPC	高性能 IPC、无文件依赖的场景
可移植性	POSIX 标准，跨平台好	System V 标准，Linux/Unix 支持

小结

mmap 的核心就一句话：把文件或内存映射到进程地址空间，然后当内存用。它省去了 read/write 的数据拷贝，效率高；它能让多个进程共享同一块物理内存，实现 IPC。但要注意：同步要自己管（msync），并发要自己锁（互斥锁），参数要对齐（offset 页对齐）。

嗯，这一章的内容就到这。下一章我们深入 mmap 的实战——用 mmap 实现一个高效的共享内存环形缓冲区。到时候我会把当年做视频采集卡时踩的坑都抖出来。

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