前言

网络上有很多描述mmap的文章，但是看完之后还是会让人感觉迷惑，原因是只是单纯的介绍了mmap的使用，其中提的最多的就是减少拷贝次数，并没有解释为什么要这样做。在计算机中，所有东西的出现必然有其原因，了解整个的前因对于对mmap的理解会很有好处，下面我们就从前因开始。

操作系统如何访问文件

要说这个就得先说下虚拟内存

虚拟内存

现代的操作系统，都会支持虚拟内存，它将物理内存对应用层开发透明，应用程序都是使用虚拟地址，其在编译的时候就确定，当然在链接的时候可能还会重定位修改。虚拟内存让进程以为自己独占系统所有的内存，当然是以一种欺骗的方式，因为现在的操作系统都支持多进程，比如我现在就在写这篇文章的同时，在听着杰伦的Mojito。且为了效率，虚拟地址的单位大小是页，一般是4096字节。也就是4kb。从前面的描述可以看出，虚拟内存和进程其实是密切相关的，一般来说两个不同的进程，同样的虚拟地址映射的是不同的物理内存(如果是同样的，岂不是乱套了)，所以在操作系统内部必然要存在物理地址和虚拟地址的转换，这个就是MMU，即memory manage unit。转换的时候需要使用到Page Tables，Page Tables包含Page Directory(PGD)、Page mid-level Directory(PMD)、Page Table(PT)。三者都是链表的结构，主要介绍一下PT，里面的每个元素被称为Page Table Entry，其中包含的值就是物理地址。

说了这么多，还是没开始说操作系统如何访问文件，别急，前置知识还是要了解的，还需要再介绍的前置知识就是用户空间和内核空间。

内核空间和用户空间

我们假设虚拟地址的大小是4G，那么用户空间和内核空间分别占有3G和1G的空间，且内核空间的地址是高地址，即0xC0000000 到 0xFFFFFFFF，两者权限不同，内核可以访问计算机所有的资源，比如磁盘、所有的CPU指令、所有的虚拟空间。而用户空间只能访问受限的资源，一个常见的用户空间结构包含：stack、heap、text、data、bss、内存映射区域等。引入内核空间主要是基于系统的安全考量。因为如果所有的进程都可以访问系统资源，那么恶意进程对计算机的破坏就太恐怖了，比如一个恶意进程将计算机所有的文件删除。

操作系统如何访问文件

说了这么多，终于到重头戏了，有了这些前置知识，假如你是一个操作系统的设计者，你会如何设计一个文件操作子系统。不妨停下想一想。

我们知道磁盘的读写速度和内存的读写速度不在一个量级上，加上前面说的用户空间和内核空间，因此频繁的访问磁盘肯定会降低程序的速度，因为会涉及到用户态和内核态的切换，正如解决计算机问题的经典方式，加一个中间层，那么自然就会想到在内核中使用一个buffer存储用户态传来的数据，当到一个容量的时候，再将数据写会磁盘。而且这样还有好处，比如，当进程A访问文件B，而进程B也访问文件B，在进程访问文件A后，文件的内容已经在内核的buffer中了，此时，进程B访问的时候就不需要再从磁盘将数据读入内核了。加快了进程B访问文件的速度。事实上，现代操作系统就是这样做的，负责磁盘和内核交互的模块是DMA，即direct memory access，而负责内核和用户空间的数据交互是CPU，分开的好处在于减轻CPU的工作，在从磁盘读文件的时候可以做其他事，此时的buffer有一个专门的名字叫做page cache。但是细想一下，如果只提供这样一种方式，是不是不友好，因为在文件的访问过程中可能会涉及到多次的用户态和内核态切换。那么有什么方式呢？也可以停下想一想。

上述的过程中，直接将内核空间的page cache和用户空间的映射，如何实现映射呢？只要内核空间的page cache中对应那块文件的内存的PT和用户空间需要映射的内存相同就行，这样两者所访问的物理内存就相同，当然最后映射返回的地址肯定要属于用户空间，因为只有这样用户空间才能访问。这样就可以减少一次内核态到用户态的一次拷贝。即现代操作系统的mmap，返回的值便是映射区域的地址(可以将地址打印出来，用于验证前面说的返回的地址是属于用户空间)，关于mmap的介绍可以直接看官方文档这里停下思考下，为什么我说的是内核态到用户态的一次拷贝，而不是双向的，即为什么只是read减少了一次拷贝，而write没有呢。

我们想下，在实际的代码中，当我们需要往某块地址中写数据的时候，比如我们有数据char *data = “hello world”，那么当我们拿到mmap返回的地址后，我们假设是mmapAddress，我们往mmapAddress写数据的数据，肯定需要将数据从data中拷贝到mmapAddress，只不过相比直接使用fwrite方法而言，少了内核态和用户态的切换。而读数据的时候就会减少拷贝，即我们可以直接访问mmapAddress地址。下面直接给代码

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

int main(int argc, char *argv[]) {
    char * map;
    int fd, offset = 0;
    struct stat fileInfo;
    size_t fileSizeOld, fileSizeNew, textSize;
    const char *text = "hello world";
    const char *filePath = "/Users/jdk/TestMMAP/testmmap.txt"; //your mapping file path
    printf("We will write text '%s' to '%s'.\n", text, filePath);
    // Open a file for writing.
    // Creating the file if it doesn't exist.
    if ((fd = open(filePath, O_RDWR | O_CREAT, (mode_t)0664 )) == -1) {
        perror("open");
        exit(1);
    }
    if (stat(filePath, &fileInfo) == -1) {
        perror("stat");
        exit(1);
    }
    // If the file is not empty, show its content
    if (fileInfo.st_size != 0) {
        map = mmap(0, fileInfo.st_size, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
        if (map == MAP_FAILED) {
            close(fd);
            perror("mmap");
            exit(1);
        }
        printf("The content in '%s' before writing:\n", filePath);
        while (offset < fileInfo.st_size) {
            printf("%c", map[offset]);
            offset++;
        }
        printf("\n");
        if (munmap(map, fileInfo.st_size) == -1) {
            close(fd);
            perror("Error un-mmapping the file");
            exit(1);
        }
    }
    // Stretch the file size to write the array of char
    fileSizeOld = fileInfo.st_size;

    textSize = strlen(text);
    fileSizeNew = fileInfo.st_size + textSize;
    
    if (ftruncate(fd, fileSizeNew) == -1) {
        close(fd);
        perror("Error resizing the file");
        exit(1);
    }
    // mmap to write
    map = mmap(0, fileSizeNew, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (map == MAP_FAILED) {
        close(fd);
        perror("mmap");
        exit(1);\
    }
    printf("mmap address= %p",map);
    //memcpy(map,text,textSize);
    for (size_t i = 0; i < textSize; i++) {
        /* printf("Writing character %c at %zu\n", text[i], i); */
        map[i+fileSizeOld] = text[i]; //copy
    }
    // Write it now to disk
    if (msync(map, fileSizeNew, MS_SYNC) == -1) {
        perror("Could not sync the file to disk");
    }
    
    for(int  i =0;i<textSize;i++){
        printf("value =%c \n",map[i]); //no need to copy
    }
    // Free the mmapped memory
    if (munmap(map, fileSizeNew) == -1) {
        close(fd);
        perror("Error un-mmapping the file");
        exit(1);
    }
    // Un-mmaping doesn't close the file, so we still need to do that
    close(fd);

    return 0;
}