mmap 全面解析：原理、用法与实战-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/Interview_TC/article/details/149095362

📖 推荐阅读：《Yocto项目实战教程:高效定制嵌入式Linux系统》
🎥 更多学习视频请关注 B 站：嵌入式Jerry

mmap 全面解析：原理、用法与实战

mmap（内存映射）是 Unix/Linux 下进行高效文件操作、进程间通信和内存管理的强大工具。它不仅能让文件操作变得像操作内存一样简单，还能支持共享内存、内存分配等高级场景。

一、什么是 mmap？

mmap（memory map）是 Linux 系统调用，能把文件或设备的内容映射到进程的虚拟内存空间，使我们像操作普通内存一样访问文件或外设数据。

mmap 的作用

高效文件访问：直接在内存中修改、读取文件内容，无需多余的读写系统调用。
共享内存：支持多个进程间共享同一段物理内存，提升进程间通信效率。
大块内存分配：适用于分配大于 malloc 限制的内存块，灵活扩展程序能力。
硬件寄存器映射：驱动开发、嵌入式应用中，直接操作物理地址。

二、mmap 的核心原理

mmap 返回一个虚拟内存地址（虚拟空间），实际内容和底层文件或设备相关联。
所有操作系统都通过页表（Page Table）管理虚拟地址与物理地址的映射。
mmap 分配的内存空间与传统的“堆”与“栈”区域分离，由内核管理，不受 malloc 和 free 控制。

在这里插入图片描述

三、mmap 基本用法

mmap 原型

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

addr：期望映射的起始地址（通常设为 NULL 让系统自动分配）
length：映射内存区域大小（字节数，常为页对齐大小）
prot：访问权限（如 PROT_READ, PROT_WRITE）
flags：映射方式（如 MAP_SHARED, MAP_PRIVATE, MAP_ANONYMOUS）
fd：被映射文件描述符（若是匿名映射则为 -1）
offset：文件起始偏移（通常为 0）

四、典型实战代码

1. 文件映射示例

下面代码把一个文本文件映射到内存，直接修改文件内容：

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

int main() {
    const char *filepath = "test.txt";
    int fd = open(filepath, O_RDWR | O_CREAT, 0666);
    if (fd < 0) { perror("open"); return 1; }
    
    // 保证文件有足够空间
    ftruncate(fd, 4096);

    // 映射文件到内存
    char *map = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (map == MAP_FAILED) { perror("mmap"); close(fd); return 1; }

    // 写入内容
    strcpy(map, "Hello, mmap! 内存映射很高效。\n");
    msync(map, 4096, MS_SYNC); // 确保同步到磁盘

    printf("文件内容：%s\n", map);

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

运行后，test.txt 会直接被改写，且不需要常规的 write 操作。

2. 匿名内存分配

无需文件，直接分配内存区域：

void *ptr = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
if (ptr == MAP_FAILED) { /* 错误处理 */ }
strcpy((char*)ptr, "匿名映射内存示例");
puts((char*)ptr);
munmap(ptr, 4096);

3. 物理内存/设备寄存器映射（嵌入式常用）

例如访问物理地址，需 root 权限（以 /dev/mem 为例）：

int fd = open("/dev/mem", O_RDWR | O_SYNC);
void *reg = mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0x3F200000);
// 直接操作 reg 指向的物理区域
munmap(reg, 4096); close(fd);