嵌入式Linux：存储映射I/O

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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。

  u( w0 d$ U% d  o, ]& |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。
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- v" k6 D6 [$ X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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% ?) d- T" z! w/ l# P& wmmap() 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。

" u) p0 C# `1 a; v# \0 y' xmmap() 函数原型如下：
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7 D+ Y: ?  ^; z. Y' t8 b9 a/ P: |

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：       
2 l) C+ l7 I+ E. i

PROT_EXEC：可执行；

PROT_READ：可读；

PROT_WRITE：可写；

PROT_NONE：不可访问。
  T+ |4 g1 `0 B! X9 S, v

flags：映射区的属性标志。常见设置有：       
! T5 Y5 y; g9 ^4 n

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。
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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。

" h$ P. P2 ]3 u9 c* h7 \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：
. A6 A+ c9 {3 H( @3 |( X1 g/ Y
; D1 r: e+ O9 e. j5 N

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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7 h/ _% @2 n0 U0 X; |其他相关函数
( j# T: S- r/ r& D* Y9 d3 G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。

$ d) U# }6 K# ]/ I$ Pmprotect() 用于更改映射区的保护属性，函数原型如下：
& F( N( w2 m1 q5 ?3 H; ]
+ S. T1 d+ ]2 o

int mprotect(void *addr, size_t len, int prot);
( o- J0 |7 Y- \( t9 D7 {5 b. P- ?
参数：
8 v9 z# f3 Q7 A3 ^/ v

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）。
0 P4 w4 N; S- h3 ]; l
0 _. Q% s/ r0 R+ y  l/ }! s. {0 G5 Pmsync() 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：
) Z! ^, \6 a; g' c
# x8 i; S, x( o2 B$ X( Z" r( D

int msync(void *addr, size_t length, int flags);参数：
* V* X& v7 a. j$ ]3 \# e( b

addr 和 length：指定需同步的内存区域。

flags：       
6 N* n/ I; s4 g0 f

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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& j/ y  R8 u' H9 t4 P' P! |8 s  G信号与异常处理
( F. a4 j& n$ S" `' N+ b& [  v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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# U+ P7 K. b/ c1 L7 v存储映射 I/O 和普通 I/O 的对比

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9 w6 Y8 g/ A' W: o& Q% p. m

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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。
; Q: @. H/ l& ~/ A) @/ k0 w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。
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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。
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- M1 \1 E* g. r* j( Q: ~! Z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。
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