remap_file_pages 函数详解
1. 函数介绍
remap_file_pages 是Linux系统调用，用于重新映射文件映射区域中的页面，创建非线性（non-linear）的内存映射。它允许将文件的不同部分映射到进程地址空间的不连续区域，或者将同一文件区域映射到多个不同的虚拟地址。这个功能对于实现复杂的内存布局和优化I/O操作非常有用。
2. 函数原型
#define _GNU_SOURCE
#include <sys/mman.h>
int remap_file_pages(void *addr, size_t size, int prot, size_t pgoff, int flags);
3. 功能
remap_file_pages 允许重新排列已经通过 mmap 映射的文件页面在虚拟地址空间中的布局。它可以创建循环缓冲区、跳过文件中的某些区域、或者重新排序文件内容的访问顺序，而无需实际移动物理内存页面。
4. 参数
- *void addr: 已映射内存区域的起始地址（必须是页面对齐的）
- size_t size: 要重新映射的区域大小（必须是页面大小的倍数）
- int prot: 保护标志（当前必须为0）
- size_t pgoff: 文件中的页面偏移量（相对于映射区域的起始位置）
- int flags: 标志位（当前必须为0）
5. 返回值
- 成功: 返回0
- 失败: 返回-1，并设置errno
6. 相似函数，或关联函数
- mmap: 内存映射文件
- mremap: 重新映射虚拟内存区域
- munmap: 取消内存映射
- madvise: 给内核提供内存访问建议
7. 示例代码
示例1：基础remap_file_pages使用
#define _GNU_SOURCE
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
/**
* 创建测试文件
*/
int create_test_file(const char *filename, size_t size) {
int fd = open(filename, O_CREAT | O_WRONLY | O_TRUNC, 0644);
if (fd == -1) {
perror("创建测试文件失败");
return -1;
}
// 填充测试数据
char *buffer = malloc(4096);
if (!buffer) {
perror("分配缓冲区失败");
close(fd);
return -1;
}
for (int i = 0; i < 4096; i++) {
buffer[i] = 'A' + (i % 26);
}
size_t written = 0;
while (written < size) {
size_t to_write = (size - written < 4096) ? size - written : 4096;
ssize_t result = write(fd, buffer, to_write);
if (result == -1) {
perror("写入文件失败");
free(buffer);
close(fd);
return -1;
}
written += result;
}
free(buffer);
close(fd);
return 0;
}
/**
* 演示remap_file_pages的基本使用方法
*/
int demo_remap_file_pages_basic() {
const char *filename = "test_remap.dat";
const size_t file_size = 16 * 4096; // 16个页面
int fd;
void *mapped_addr;
size_t page_size = getpagesize();
printf("=== remap_file_pages 基本使用示例 ===\n");
printf("页面大小: %zu 字节\n", page_size);
printf("文件大小: %zu 字节 (%zu 个页面)\n", file_size, file_size / page_size);
// 创建测试文件
if (create_test_file(filename, file_size) != 0) {
return -1;
}
// 打开文件并映射到内存
fd = open(filename, O_RDONLY);
if (fd == -1) {
perror("打开文件失败");
unlink(filename);
return -1;
}
mapped_addr = mmap(NULL, file_size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
if (mapped_addr == MAP_FAILED) {
perror("内存映射失败");
close(fd);
unlink(filename);
return -1;
}
printf("文件映射到地址: %p\n", mapped_addr);
// 显示原始映射的内容
printf("\n原始映射内容 (前4个页面):\n");
for (int i = 0; i < 4; i++) {
char *page_start = (char*)mapped_addr + i * page_size;
printf("页面 %d (偏移 %zu): %.32s...\n", i, i * page_size, page_start);
}
// 使用remap_file_pages重新映射页面
// 将第3个页面映射到第1个页面的位置
printf("\n使用remap_file_pages重新映射...\n");
// 注意：remap_file_pages在现代Linux内核中可能不可用或被禁用
// 这里演示调用方式，但可能返回ENOSYS
int result = remap_file_pages((char*)mapped_addr + page_size, // 第2个页面位置
page_size, // 1个页面大小
0, // prot参数（必须为0）
2, // 映射第3个页面（索引2）
0); // flags参数（必须为0）
if (result == -1) {
if (errno == ENOSYS) {
printf("警告: remap_file_pages 系统调用不可用 (内核可能已禁用)\n");
printf("这是现代Linux内核的常见情况\n");
} else {
printf("remap_file_pages 失败: %s\n", strerror(errno));
}
} else {
printf("remap_file_pages 调用成功\n");
// 显示重新映射后的内容
printf("\n重新映射后的内容:\n");
for (int i = 0; i < 4; i++) {
char *page_start = (char*)mapped_addr + i * page_size;
printf("页面 %d: %.32s...\n", i, page_start);
}
}
// 清理资源
munmap(mapped_addr, file_size);
close(fd);
unlink(filename);
return 0;
}
int main() {
return demo_remap_file_pages_basic();
}
示例2：循环缓冲区实现
#define _GNU_SOURCE
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
/**
* 演示使用remap_file_pages实现循环缓冲区
*/
int demo_circular_buffer() {
const char *filename = "circular_buffer.dat";
const size_t buffer_size = 8 * getpagesize(); // 8个页面的缓冲区
const size_t physical_size = 4 * getpagesize(); // 实际只有4个页面的数据
int fd;
void *mapped_addr;
size_t page_size = getpagesize();
printf("=== 循环缓冲区实现示例 ===\n");
printf("页面大小: %zu 字节\n", page_size);
printf("逻辑缓冲区大小: %zu 字节 (%zu 页面)\n", buffer_size, buffer_size / page_size);
printf("物理文件大小: %zu 字节 (%zu 页面)\n", physical_size, physical_size / page_size);
// 创建测试文件
fd = open(filename, O_CREAT | O_RDWR | O_TRUNC, 0644);
if (fd == -1) {
perror("创建测试文件失败");
return -1;
}
// 扩展文件大小
if (ftruncate(fd, physical_size) == -1) {
perror("扩展文件失败");
close(fd);
unlink(filename);
return -1;
}
// 填充测试数据
char *test_data = malloc(physical_size);
if (!test_data) {
perror("分配测试数据失败");
close(fd);
unlink(filename);
return -1;
}
// 创建循环模式的数据
for (size_t i = 0; i < physical_size; i++) {
test_data[i] = '0' + (i % 10);
}
write(fd, test_data, physical_size);
free(test_data);
// 映射逻辑缓冲区大小（比物理文件大）
mapped_addr = mmap(NULL, buffer_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
if (mapped_addr == MAP_FAILED) {
perror("内存映射失败");
close(fd);
unlink(filename);
return -1;
}
printf("映射地址: %p\n", mapped_addr);
// 显示原始映射内容
printf("\n原始映射内容:\n");
for (size_t i = 0; i < buffer_size; i += page_size) {
size_t page_index = i / page_size;
char *page_start = (char*)mapped_addr + i;
printf("逻辑页面 %zu: %.16s\n", page_index, page_start);
}
// 尝试使用remap_file_pages创建循环缓冲区
printf("\n尝试创建循环缓冲区...\n");
// 将前4个页面的内容循环映射到后4个页面位置
for (size_t i = 0; i < 4; i++) {
int result = remap_file_pages((char*)mapped_addr + (4 + i) * page_size, // 后4个页面位置
page_size, // 1个页面大小
0, // prot参数
i, // 映射前4个页面的内容
0); // flags参数
if (result == -1) {
if (errno == ENOSYS) {
printf("系统不支持remap_file_pages，无法创建循环缓冲区\n");
break;
} else {
printf("页面 %zu 重新映射失败: %s\n", i, strerror(errno));
}
} else {
printf("页面 %zu 重新映射成功\n", i);
}
}
// 显示重新映射后的内容（如果成功的话）
printf("\n重新映射后的内容:\n");
for (size_t i = 0; i < buffer_size; i += page_size) {
size_t page_index = i / page_size;
char *page_start = (char*)mapped_addr + i;
printf("逻辑页面 %zu: %.16s\n", page_index, page_start);
}
// 清理资源
munmap(mapped_addr, buffer_size);
close(fd);
unlink(filename);
return 0;
}
int main() {
return demo_circular_buffer();
}
示例3：跳过文件区域映射
#define _GNU_SOURCE
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
/**
* 演示跳过文件中某些区域的映射
*/
int demo_skip_file_regions() {
const char *filename = "skip_regions.dat";
const size_t file_size = 12 * getpagesize(); // 12个页面
int fd;
void *mapped_addr;
size_t page_size = getpagesize();
printf("=== 跳过文件区域映射示例 ===\n");
printf("页面大小: %zu 字节\n", page_size);
printf("文件大小: %zu 字节 (%zu 页面)\n", file_size, file_size / page_size);
// 创建测试文件
fd = open(filename, O_CREAT | O_RDWR | O_TRUNC, 0644);
if (fd == -1) {
perror("创建测试文件失败");
return -1;
}
// 扩展文件大小
if (ftruncate(fd, file_size) == -1) {
perror("扩展文件失败");
close(fd);
unlink(filename);
return -1;
}
// 填充测试数据（每个页面不同内容）
for (int page = 0; page < 12; page++) {
char page_data[4096];
for (int i = 0; i < 4096; i++) {
page_data[i] = 'A' + page;
}
lseek(fd, page * 4096, SEEK_SET);
write(fd, page_data, 4096);
}
// 映射整个文件
mapped_addr = mmap(NULL, file_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
if (mapped_addr == MAP_FAILED) {
perror("内存映射失败");
close(fd);
unlink(filename);
return -1;
}
printf("文件映射到地址: %p\n", mapped_addr);
// 显示原始映射内容
printf("\n原始映射内容:\n");
for (int i = 0; i < 12; i++) {
char *page_start = (char*)mapped_addr + i * page_size;
printf("页面 %d: %c%c%c%c...\n", i, page_start[0], page_start[1],
page_start[2], page_start[3]);
}
// 假设我们要跳过第3、4、7、8页面，用其他页面的内容替换
printf("\n尝试跳过某些页面并重新映射...\n");
struct {
int virtual_page; // 虚拟页面索引
int source_page; // 源页面索引
} remap_rules[] = {
{2, 0}, // 将页面0的内容映射到页面2的位置
{3, 1}, // 将页面1的内容映射到页面3的位置
{6, 5}, // 将页面5的内容映射到页面6的位置
{7, 9}, // 将页面9的内容映射到页面7的位置
{-1, -1} // 结束标记
};
// 执行重新映射
for (int i = 0; remap_rules[i].virtual_page != -1; i++) {
int result = remap_file_pages((char*)mapped_addr + remap_rules[i].virtual_page * page_size,
page_size,
0,
remap_rules[i].source_page,
0);
if (result == -1) {
if (errno == ENOSYS) {
printf("系统不支持remap_file_pages\n");
break;
} else {
printf("页面 %d->%d 重新映射失败: %s\n",
remap_rules[i].source_page, remap_rules[i].virtual_page, strerror(errno));
}
} else {
printf("页面 %d->%d 重新映射成功\n",
remap_rules[i].source_page, remap_rules[i].virtual_page);
}
}
// 显示重新映射后的内容
printf("\n重新映射后的内容:\n");
for (int i = 0; i < 12; i++) {
char *page_start = (char*)mapped_addr + i * page_size;
printf("页面 %d: %c%c%c%c...\n", i, page_start[0], page_start[1],
page_start[2], page_start[3]);
}
// 清理资源
munmap(mapped_addr, file_size);
close(fd);
unlink(filename);
return 0;
}
int main() {
return demo_skip_file_regions();
}
示例4：内存访问模式优化
#define _GNU_SOURCE
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <time.h>
/**
* 比较不同访问模式的性能
*/
int compare_access_patterns() {
const char *filename = "access_pattern_test.dat";
const size_t file_size = 16 * getpagesize();
int fd;
void *mapped_addr;
size_t page_size = getpagesize();
char *sequential_data, *random_data;
printf("=== 内存访问模式优化示例 ===\n");
printf("页面大小: %zu 字节\n", page_size);
printf("文件大小: %zu 字节 (%zu 页面)\n", file_size, file_size / page_size);
// 创建测试文件
fd = open(filename, O_CREAT | O_RDWR | O_TRUNC, 0644);
if (fd == -1) {
perror("创建测试文件失败");
return -1;
}
if (ftruncate(fd, file_size) == -1) {
perror("扩展文件失败");
close(fd);
unlink(filename);
return -1;
}
// 填充测试数据
char *test_data = malloc(file_size);
if (!test_data) {
perror("分配测试数据失败");
close(fd);
unlink(filename);
return -1;
}
// 创建有规律的数据模式
for (size_t i = 0; i < file_size; i++) {
test_data[i] = (i / page_size) + 'A'; // 每个页面一个字母
}
write(fd, test_data, file_size);
free(test_data);
// 映射文件
mapped_addr = mmap(NULL, file_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
if (mapped_addr == MAP_FAILED) {
perror("内存映射失败");
close(fd);
unlink(filename);
return -1;
}
printf("文件映射到地址: %p\n", mapped_addr);
// 准备测试数据
sequential_data = malloc(file_size);
random_data = malloc(file_size);
if (!sequential_data || !random_data) {
perror("分配测试缓冲区失败");
free(sequential_data);
free(random_data);
munmap(mapped_addr, file_size);
close(fd);
unlink(filename);
return -1;
}
// 顺序访问测试
printf("\n1. 顺序访问测试:\n");
clock_t start = clock();
for (size_t i = 0; i < file_size; i++) {
sequential_data[i] = ((char*)mapped_addr)[i];
}
clock_t end = clock();
double sequential_time = ((double)(end - start)) / CLOCKS_PER_SEC;
printf("顺序访问耗时: %.6f 秒\n", sequential_time);
// 尝试重新映射以优化随机访问
printf("\n2. 尝试优化随机访问模式:\n");
// 创建一个访问模式：每隔一个页面访问
int result = remap_file_pages((char*)mapped_addr + 2 * page_size, // 第3个页面位置
page_size, // 1个页面大小
0, // prot参数
4, // 映射第5个页面
0); // flags参数
if (result == -1) {
if (errno == ENOSYS) {
printf("系统不支持remap_file_pages，跳过优化测试\n");
} else {
printf("重新映射失败: %s\n", strerror(errno));
}
} else {
printf("重新映射成功，优化了访问模式\n");
}
// 随机访问测试
printf("\n3. 随机访问测试:\n");
start = clock();
// 模拟随机访问模式
size_t access_pattern[] = {0, 4096, 8192, 12288, 2048, 6144, 10240, 14336};
size_t pattern_size = sizeof(access_pattern) / sizeof(access_pattern[0]);
for (size_t i = 0; i < 1000; i++) { // 重复1000次
for (size_t j = 0; j < pattern_size; j++) {
size_t offset = access_pattern[j] + (i % 100);
if (offset < file_size) {
random_data[i % file_size] = ((char*)mapped_addr)[offset];
}
}
}
end = clock();
double random_time = ((double)(end - start)) / CLOCKS_PER_SEC;
printf("随机访问耗时: %.6f 秒\n", random_time);
// 显示访问模式优化的理论优势
printf("\n访问模式优化说明:\n");
printf(" remap_file_pages 可以:\n");
printf(" 1. 创建循环缓冲区，避免数据复制\n");
printf(" 2. 优化缓存局部性，提高访问效率\n");
printf(" 3. 实现非线性访问模式\n");
printf(" 4. 减少页面错误和TLB未命中\n");
// 清理资源
free(sequential_data);
free(random_data);
munmap(mapped_addr, file_size);
close(fd);
unlink(filename);
return 0;
}
int main() {
return compare_access_patterns();
}
示例5：实际应用场景演示
#define _GNU_SOURCE
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
/**
* 模拟数据库页面缓存场景
*/
typedef struct {
void *mapped_addr;
size_t total_size;
size_t page_size;
int fd;
} db_cache_t;
/**
* 初始化数据库缓存
*/
int db_cache_init(db_cache_t *cache, const char *filename, size_t cache_size) {
size_t page_size = getpagesize();
size_t file_size = ((cache_size / page_size) + 16) * page_size; // 多分配一些空间
memset(cache, 0, sizeof(db_cache_t));
cache->page_size = page_size;
cache->total_size = file_size;
// 创建或打开数据库文件
cache->fd = open(filename, O_CREAT | O_RDWR | O_TRUNC, 0644);
if (cache->fd == -1) {
perror("打开数据库文件失败");
return -1;
}
// 设置文件大小
if (ftruncate(cache->fd, file_size) == -1) {
perror("设置文件大小失败");
close(cache->fd);
return -1;
}
// 初始化文件内容
char *init_data = malloc(page_size);
if (!init_data) {
perror("分配初始化数据失败");
close(cache->fd);
return -1;
}
for (size_t i = 0; i < file_size; i += page_size) {
for (size_t j = 0; j < page_size; j++) {
init_data[j] = 'P' + ((i / page_size) % 26);
}
lseek(cache->fd, i, SEEK_SET);
write(cache->fd, init_data, page_size);
}
free(init_data);
// 映射文件
cache->mapped_addr = mmap(NULL, cache->total_size,
PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, cache->fd, 0);
if (cache->mapped_addr == MAP_FAILED) {
perror("内存映射失败");
close(cache->fd);
return -1;
}
printf("数据库缓存初始化完成\n");
printf(" 缓存地址: %p\n", cache->mapped_addr);
printf(" 缓存大小: %zu 字节\n", cache->total_size);
printf(" 页面大小: %zu 字节\n", cache->page_size);
return 0;
}
/**
* 演示数据库页面重排
*/
int db_cache_remap_pages(db_cache_t *cache) {
printf("\n=== 数据库页面重排演示 ===\n");
// 显示原始页面内容
printf("原始页面内容:\n");
for (int i = 0; i < 8; i++) {
char *page_start = (char*)cache->mapped_addr + i * cache->page_size;
printf(" 页面 %d: %c%c%c%c...\n", i, page_start[0], page_start[1],
page_start[2], page_start[3]);
}
// 尝试重新排列页面以优化访问模式
printf("\n尝试重新排列页面以优化热点数据访问...\n");
// 假设页面2和页面3是热点数据，将其映射到更易访问的位置
struct {
int virtual_page; // 虚拟页面位置
int source_page; // 源页面
} hot_pages[] = {
{6, 2}, // 将热点页面2映射到位置6
{7, 3}, // 将热点页面3映射到位置7
{-1, -1}
};
int remap_success = 0;
for (int i = 0; hot_pages[i].virtual_page != -1; i++) {
int result = remap_file_pages((char*)cache->mapped_addr +
hot_pages[i].virtual_page * cache->page_size,
cache->page_size,
0,
hot_pages[i].source_page,
0);
if (result == -1) {
if (errno != ENOSYS) {
printf("页面 %d->%d 重新映射失败: %s\n",
hot_pages[i].source_page, hot_pages[i].virtual_page, strerror(errno));
}
} else {
printf("热点页面 %d->%d 重新映射成功\n",
hot_pages[i].source_page, hot_pages[i].virtual_page);
remap_success = 1;
}
}
if (!remap_success && errno == ENOSYS) {
printf("系统不支持remap_file_pages，使用传统访问方式\n");
}
// 显示重新映射后的页面内容
printf("\n重新映射后的页面内容:\n");
for (int i = 0; i < 8; i++) {
char *page_start = (char*)cache->mapped_addr + i * cache->page_size;
printf(" 页面 %d: %c%c%c%c...\n", i, page_start[0], page_start[1],
page_start[2], page_start[3]);
}
return 0;
}
/**
* 清理数据库缓存
*/
void db_cache_cleanup(db_cache_t *cache) {
if (cache->mapped_addr && cache->mapped_addr != MAP_FAILED) {
munmap(cache->mapped_addr, cache->total_size);
}
if (cache->fd != -1) {
close(cache->fd);
}
printf("数据库缓存清理完成\n");
}
/**
* 演示实际应用场景
*/
int demo_real_world_application() {
db_cache_t cache;
const char *db_filename = "database_cache.dat";
printf("=== 实际应用场景演示 ===\n");
printf("场景: 数据库页面缓存优化\n");
// 初始化数据库缓存
if (db_cache_init(&cache, db_filename, 32 * 1024 * 1024) != 0) { // 32MB缓存
return -1;
}
// 演示页面重排
db_cache_remap_pages(&cache);
// 演示循环日志缓冲区
printf("\n=== 循环日志缓冲区演示 ===\n");
printf("remap_file_pages 可以用于实现:\n");
printf(" 1. 循环日志缓冲区（避免数据复制）\n");
printf(" 2. 数据库页面池管理\n");
printf(" 3. 文件系统元数据缓存优化\n");
printf(" 4. 多媒体数据流缓冲\n");
// 清理资源
db_cache_cleanup(&cache);
unlink(db_filename);
return 0;
}
int main() {
return demo_real_world_application();
}
remap_file_pages 限制和注意事项
系统支持：
- 内核版本: 需要Linux 2.6或更高版本
- 功能可用性: 现代内核可能默认禁用此功能
- 安全限制: 某些安全策略可能禁止使用
使用限制：
- 必须已映射: 目标区域必须已经通过mmap映射
- 页面对齐: 地址和大小必须是页面大小的倍数
- 参数限制: prot和flags参数当前必须为0
性能考虑：
- TLB优化: 可以减少TLB未命中
- 缓存局部性: 优化内存访问模式
- 减少复制: 避免不必要的数据复制
错误处理：
- ENOSYS: 系统调用不支持
- EINVAL: 参数无效
- ENOMEM: 内存不足
替代方案
由于 remap_file_pages 在现代系统中可能不可用，可以考虑以下替代方案：
1. 多次mmap：
// 为同一文件的不同部分创建多个映射
void *map1 = mmap(NULL, page_size, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, offset1);
void *map2 = mmap(NULL, page_size, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, offset2);
2. 使用madvise：
// 给内核提供访问建议
madvise(addr, size, MADV_WILLNEED); // 预读建议
madvise(addr, size, MADV_SEQUENTIAL); // 顺序访问建议
3. 用户空间缓冲区管理：
// 在用户空间实现复杂的缓冲区管理逻辑
总结
remap_file_pages 是一个强大的系统调用，用于实现非线性的内存映射布局。虽然在现代Linux内核中可能不可用，但它在以下场景中仍然有价值：
- 循环缓冲区实现: 避免数据复制，提高效率
- 数据库页面管理: 优化热点数据访问
- 多媒体流处理: 实现高效的缓冲区重用
- 文件系统优化: 优化元数据访问模式
正确使用这个函数需要深入理解虚拟内存管理和文件映射机制。在实际应用中，需要检查系统支持情况并提供适当的回退方案。