内存映射

什么是内存映射？

内存映射是一种将磁盘上的文件映射到进程的地址空间的方法。在内存映射的情况下，文件被映射到一块共享内存中。这使得进程可以像访问普通内存一样访问文件。在读取或写入数据时，操作系统会在内存中进行缓存，这可以极大地提高 IO 性能。

内存映射的使用场景

• 大型数据集的高效 I/O 操作，比如超过几百兆的数据文件；
• 访问管道和 FIFO 的方式，管道和 FIFO 被内核实现为文件；
• 共享内存，多个进程可以在同一段内存区域进行读写，避免了进程间复制数据的开销；
• 实现进程间通信，同一段内存区域被映射到多个进程的地址空间中，从而实现 IPC。

内存映射的实现

在 Unix 系统中，内存映射通过 mmap 系统调用来实现。在 Windows 系统中，内存映射有两个 API：CreateFileMapping 和 MapViewOfFile。

下面以 Python 为例，介绍内存映射的使用方法。

初始文件内容：hello, world!

import mmap

with open("example.txt", "r+") as f:
    # 获取文件的大小
    size = os.path.getsize("example.txt")
    # 将文件映射到内存中
    mm = mmap.mmap(f.fileno(), size)
    # 修改内存中的内容
    mm[0] = "H"
    mm[7:13] = "Python"
    # 关闭文件和内存映射
    mm.close()
    f.close()

修改后的文件内容：Hello, Python!

内存映射的优势和劣势

优势

• 避免了读写文件时的缓冲开销；
• 多个进程可以在同一段内存区域进行读写，实现了进程间共享数据；
• 不需要进行 I/O 操作，访问速度更快。

劣势

• 内存占用较高，特别是对于大文件；
• 由于数据都存储在内存中，数据的持久化需要特殊处理；
• 数据读取速度较快，但写入速度可能会受到操作系统的限制。

总结

内存映射是一种非常高效的文件读写方式，特别是对于大型数据集的读写操作。虽然内存映射需要特殊处理数据的持久化，但在适当的场景下使用内存映射可以大大提升程序的性能。