嵌入式Linux：存储映射I/O

在 Linux 系统中，存储映射 I/O (Memory-Mapped I/O) 是一种高级 I/O 机制，旨在通过将文件映射到进程的地址空间来实现对文件的直接访问。

通过这种方式，数据可以直接通过内存访问，而无需通过系统调用来传递数据，从而提升了文件操作效率。接下来，我们深入探讨其工作原理、关键函数以及其在不同应用场景中的优势和劣势。

存储映射 I/O 基于内存区域的概念，文件的内容被映射到内存后，应用程序可以像访问普通内存一样直接访问文件内容。读写文件的操作可以通过对内存的读取和写入来实现，省去了使用 read() 和 write() 函数在内核空间和用户空间之间来回传输数据的开销。

关键特点：

• 直接内存操作：读取文件内容只需访问内存，写入文件则只需将数据写入内存。
• 减少系统调用开销：无需频繁调用 read() 和 write() 系统调用，减少了 I/O 的复杂度。
• 提高大文件操作效率：适用于需要频繁或大量数据交互的场景。

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mmap() 和 munmap() 函数

存储映射 I/O 的核心函数是 mmap()，用于将文件映射到进程地址空间中，并使用 munmap() 解除该映射。

mmap() 函数原型如下：

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

参数详解：

• addr：指定映射的起始地址。通常设置为 NULL，表示由系统选择起始地址。
• length：映射长度（字节数），决定文件映射的大小区域。
• offset：文件偏移量，通常为 0，表示从文件头开始映射。
• fd：文件描述符，指示要映射的文件。
• prot：映射区的保护权限，可设置为：
  • PROT_EXEC：可执行；
  • PROT_READ：可读；
  • PROT_WRITE：可写；
  • PROT_NONE：不可访问。
• flags：映射区的属性标志。常见设置有：
  • MAP_SHARED：共享映射区的更改会写入文件中，可供其他进程共享。
  • MAP_PRIVATE：私有映射，写入数据仅对当前进程可见，不会影响文件本身。

返回值：成功时返回映射区的起始地址；失败时返回 -1，通常使用 MAP_FAILED 表示，并设置 errno。

注意事项：addr 和 offset 通常需为系统页大小的整数倍。可以使用 sysconf(_SC_PAGE_SIZE) 获取系统页大小。

munmap() 函数原型如下：

int munmap(void *addr, size_t length);

参数详解：

• addr：映射的起始地址。
• length：解除映射的长度，需为页大小的整数倍。

返回值：成功时返回 0；失败时返回 -1，并设置 errno。

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其他相关函数

在使用 mmap() 映射文件时，还可以通过以下系统调用对映射区进行管理。

mprotect() 用于更改映射区的保护属性，函数原型如下：

int mprotect(void *addr, size_t len, int prot);

参数：

• addr 和 len 定义了需要更改保护属性的地址范围。
• prot 为新的保护属性（与 mmap() 的 prot 参数相同）。

msync() 确保映射区的数据同步到磁盘文件中，类似于 fsync()，以确保数据一致性。函数原型如下：

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

参数：

• addr 和 length：指定需同步的内存区域。
• flags：
  • MS_ASYNC：异步同步。
  • MS_SYNC：同步方式。
  • MS_INVALIDATE：请求使同一文件的其他映射无效，以便用新值更新。

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信号与异常处理

存储映射 I/O 的使用过程中可能引发的信号主要包括 SIGSEGV 和 SIGBUS。

• SIGSEGV：当映射区被设为只读，而进程尝试写入该映射区时触发。
• SIGBUS：当映射区的某一部分已不存在时触发，如文件被截断导致映射区域超出文件范围。

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存储映射 I/O 和普通 I/O 的对比

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应用场景和限制

优势应用场景：

• 大数据处理：适合用于频繁访问大文件或连续数据的场景，如视频编辑和图像处理。
• 共享内存：mmap() 类似于进程间共享内存，可以用于实现进程间的高效数据共享。

限制：

• 文件大小限制：文件的映射区域固定，无法超过文件实际大小。
• 页大小约束：映射区域的起始地址、偏移量和长度通常需为页大小的整数倍。
• 数据一致性：需注意文件的写入同步，如需保证数据实时更新，可使用 msync()。

Linux 存储映射 I/O 是一种高效的 I/O 方式，特别适用于大数据场景。

在应用场景中，它通过将文件直接映射到进程的虚拟内存中，显著降低了 I/O 操作的延迟和系统调用的频率，使得高效的数据共享和文件访问成为可能。

然而，受限于文件大小、页大小对齐以及数据同步等条件，开发者需在使用时根据应用场景合理选择存储映射 I/O 或普通 I/O。