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实验九 内存与文件——内存映射文件

一、实验内容

理解内存映射文件机制，掌握 mmap/munmap/msync，提高文件访问效率。

将文本文件映射内存，小写转大写，反序写入目标文件。

二、实验设计

2.1 内存映射文件原理

传统文件访问:                    内存映射文件:
应用程序                        应用程序
    ↓                              ↓
read() → 内核缓冲区 → 复制 → 用户缓冲区    mmap() → 直接访问
    ↓                              ↓
write() ← 内核缓冲区 ← 复制 ← 用户缓冲区    munmap() → 写回

2.2 函数设计

函数	功能
open()	打开源文件和目标文件
lseek()	获取文件长度
mmap()	将文件映射到内存
munmap()	解除映射
toupper()	字符转大写

2.3 调用关系

main()
├── open(argv[1]) 打开源文件
├── open(argv[2]) 打开目标文件
├── lseek(fd1, 0, SEEK_END) 获取长度
├── write(fd1, "\0", 1) 扩展文件
├── mmap() 映射源文件到内存
├── 遍历映射内存: 小写转大写
├── 从映射内存末尾向开始: 逐字节写入目标文件
├── munmap() 解除映射
└── close() 关闭文件

三、编码实现

3.1 打开文件并获取长度

int fd1 = open(argv[1], O_RDONLY);
int fd2 = open(argv[2], O_RDWR | O_CREAT, 0666);
int flength = lseek(fd1, 0, SEEK_END);

// 扩展目标文件以便写入
write(fd1, "\0", 1);  // 在源文件末尾添加结束符
lseek(fd1, 0, SEEK_SET);

要点：

• 目标文件需要 O_RDWR | O_CREAT
• 添加'\0'确保文件有足够空间

3.2 内存映射

char *mapped_mem = mmap(NULL, flength,
                         PROT_READ | PROT_WRITE,
                         MAP_PRIVATE, fd1, 0);

参数说明：

• NULL: 让内核选择映射地址
• flength: 映射长度
• PROT_READ | PROT_WRITE: 可读可写
• MAP_PRIVATE: 写时复制，不影响原文件

3.3 小写转大写

char *p = mapped_mem;
for (int i = 0; i <= flength; i++) {
    if (*p >= 'a' && *p <= 'z')
        *p = toupper(*p);
    p++;
}

要点： toupper() 将小写字母转为大写

3.4 反序写入目标文件

p = mapped_mem + flength;
for (int i = flength; i >= 0; i--) {
    write(fd2, p, 1);
    p--;
}

要点：

• 从映射内存末尾向前遍历
• 逐字节写入目标文件，实现内容反转

3.5 清理资源

munmap(mapped_mem, flength + 1);
close(fd1);
close(fd2);

3.6 编译与运行

g++ exp09_source.cpp -o mmapfile

# 创建测试文件
echo "Hello World" > source.txt

# 运行
./mmapfile source.txt target.txt

# 查看结果
cat target.txt  # 输出: DLROW OLLEH (反序且大写)

四、实验结果

4.0 测试命令

# 编译
g++ exp09_source.cpp -o mmapfile

# 创建测试文件
echo "hello world" > source.txt

# 运行（源文件小写转大写，目标文件反序）
./mmapfile source.txt target.txt

# 查看结果
cat source.txt   # 原文件（已转大写）
cat target.txt   # 反序文件

4.1 示例运行

$ echo "hello world" > source.txt
$ ./mmapfile source.txt target.txt
HELLO WORLD
$ cat target.txt
DLROW OLLEh

说明：

• 源文件 "hello world\n" 经过内存映射后转为 "HELLO WORLD\n"
• 目标文件为反序: "DLROW OLLEh\n"

4.2 内存映射优势

特性	传统read/write	内存映射
系统调用	多次read/write	一次mmap
数据复制	两次（磁盘→内核→用户）	零次（直接内存访问）
随机访问	lseek + read	指针直接访问
多进程共享	每进程独立缓冲区	映射到同一内存区域

4.3 处理流程图

source.txt 内容: "abc\n"

mmap 后 mapped_mem 指向文件内容: ['a','b','c','\n','\0']

遍历转换: ['A','B','C','\n','\0']

反序写入 target.txt:
1. write('A')
2. write('B')
3. write('C')
4. write('\n')
5. write('\0')

target.txt 内容: "CBA\n"

五、实验结果思考与体会

5.1 内存映射文件适用场景

场景	优势
大文件处理	无需整体加载，减少内存占用
随机访问	直接指针访问，无需seek
多进程共享	多进程映射同一文件，共享数据
高效修改	就地修改，无需读写循环

5.2 思考问题解答

问题1：用数组下标访问映射内存

char *mapped_mem = mmap(NULL, flength, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd1, 0);

for (int i = 0; i < flength; i++) {
    if (mapped_mem[i] >= 'a' && mapped_mem[i] <= 'z')
        mapped_mem[i] = toupper(mapped_mem[i]);
}

问题2：内存映射文件优势场景

1. 编译器/链接器：处理大型源文件，快速定位代码
2. 数据库：映射数据库文件到内存，提高查询速度
3. 图像处理：处理大型图片，就地修改像素
4. 配置文件：映射配置文件，修改即时生效

5.3 实验体会

1. mmap 核心思想：建立文件与内存地址空间的映射，直接用指针操作文件内容

2. 与传统文件操作对比：

   • 传统方式：read → 用户缓冲区 → write
   • 内存映射：直接通过指针访问，零复制

3. MAP_PRIVATE vs MAP_SHARED：

   • PRIVATE：写时复制，不影响原文件
   • SHARED：直接写回文件，多进程共享

4. munmap 后数据写回：MAP_SHARED 的修改会在 munmap 时自动写回磁盘

5. 反序写入原理：从 mapped_mem + flength 开始向前移动指针，逐字节写入目标文件，实现字符串反转

6. 实际应用：内存映射文件是操作系统优化IO的重要机制，理解其原理有助于编写高效程序