C++如何编写高性能文件IO_Linux下使用mmap进行C++内存映射文件操作

mmap通过将文件映射到进程地址空间，实现高效文件IO。相比传统read/write，减少数据拷贝和上下文切换，支持随机访问与共享内存，适合大文件或频繁操作场景。c++中需使用open打开文件，fstat获取大小，mmap映射内存，通过指针直接读写，最后munmap解除映射并关闭文件描述符。关键参数包括PROT_READ/PROT_WRITE设置权限，MAP_SHAred使修改持久化，offset需对齐页大小。可配合msync强制写回磁盘，提升数据安全性。建议按需映射部分文件、定期刷新以优化性能，适用于日志、数据库等高性能场景。

在linux下进行高性能文件IO操作时，使用mmap（内存映射）是一种非常有效的方式。相比传统的read/write系统调用，mmap能减少数据拷贝次数和上下文切换，特别适合大文件或频繁访问的场景。C++中结合mmap可以实现接近内存访问速度的文件操作。

什么是mmap

mmap是Linux提供的系统调用，它将一个文件或设备映射到进程的虚拟地址空间。映射成功后，应用程序就可以像访问普通内存一样读写文件内容，无需调用read/write。

主要优势包括：

• 避免用户缓冲区与内核缓冲区之间的数据拷贝
• 支持随机访问，效率高
• 多个进程可映射同一文件，实现共享内存通信
• 由操作系统按需分页加载，节省内存

如何在C++中使用mmap操作文件

要使用mmap，需要包含sys/mman.h、fcntl.h、unistd.h等头文件。基本流程如下：

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1. 使用open打开文件
2. 调用mmap将文件映射到内存
3. 通过指针访问映射区域
4. 使用munmap解除映射
5. 关闭文件描述符

示例代码：读取并修改一个文本文件

#include <iostream> #include <sys/mman.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <cstring> <p>int main() { const char* filename = "test.txt"; int fd = open(filename, O_RDWR); if (fd == -1) { perror("open failed"); return 1; }</p><pre class='brush:php;toolbar:false;'>// 获取文件大小 struct stat sb; if (fstat(fd, &sb) == -1) {     perror("fstat failed");     close(fd);     return 1; } size_t file_size = sb.st_size;  // 映射文件 void* mapped = mmap(nullptr, file_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); if (mapped == MAP_FAILED) {     perror("mmap failed");     close(fd);     return 1; }  // 直接操作内存 —— 例如将前几个字符改为大写 char* data = static_cast<char*>(mapped); for (size_t i = 0; i < 5 && i < file_size; ++i) {     if (data[i] >= 'a' && data[i] <= 'z') {         data[i] = data[i] - 'a' + 'A';     } }  // 可选：强制写回磁盘 if (msync(mapped, file_size, MS_SYNC) == -1) {     perror("msync failed"); }  // 解除映射 munmap(mapped, file_size); close(fd); return 0;

}

关键参数说明

• PROT_READ | PROT_WRITE：指定映射区域的访问权限
• MAP_SHARED：修改会写回文件，适用于多进程共享；若用MAP_PRIVATE则修改不会持久化
• offset：必须是页大小的倍数（通常4096字节），如需非对齐映射需自行处理边界
• msync：可手动触发将脏页写回磁盘，提高数据安全性

性能优化建议

• 对于超大文件，可只映射需要的部分（配合offset和Length）
• 频繁小更新时，避免每次msync，可定期刷新
• 只读场景使用PROT_READ和MAP_SHARED更安全
• 注意信号处理：访问映射内存可能触发SIGBUS（如文件被截断）

基本上就这些。mmap适合对性能要求高的场景，比如日志系统、数据库引擎、配置热加载等。虽然使用略复杂于标准IO，但带来的性能提升显著。