一、常规文件操作
常规文件操作（read/write）有那几个重要步骤：
- 进程发起读文件请求
- 内核通过查找进程文件符表，定位到内核已打开文件集上的文件信息，从而找到此文件的 inode
- inode 在 address_space 上查找要请求的文件页是否已经缓存在内核页高速缓冲中。如果存在，则直接返回这片文件页的内容
- 如果不存在，则通过 inode 定位到文件磁盘地址，将数据从磁盘复制到内核页高速缓冲。之后再次发起读页面过程，进而将内核页高速缓冲中的数据发给用户进程
需要注意的几点：
- 常规文件操作为了提高读写效率和保护磁盘，使用了页缓存机制。由于页缓存处在内核空间，不能被用户进程直接寻址，所以需要将页缓存中数据页再次拷贝到内存对应的用户空间中
- read/write 是系统调用很耗时，如下图，它首先将文件内容从硬盘拷贝到内核空间的一个缓冲区，然后再将这些数据拷贝到用户空间，实际上完成了两次数据拷贝
- 如果两个进程都对磁盘中的一个文件内容进行访问，那么这个内容在物理内存中有三份：进程 A 的地址空间 + 进程 B 的地址空间 + 内核页高速缓冲空间
- 写操作也是一样，待写入的 buffer 在内核空间不能直接访问，必须要先拷贝至内核空间对应的主存，再写回磁盘中（延迟写回），也是需要两次数据拷贝
二、mmap内存映射
2.1 mmap 介绍
在日常开发中偶尔会遇到 mmap，它最常用到的场景是 MMKV，其次用到的是日志打印。虽然都已经被封装好，但也需要了解下 mmap 的基本原理和过程。
进程是 App 运行的基本单位，进程之间相对独立。iOS 系统中 App 运行的内存空间地址是虚拟空间地址，存储数据是在各自的沙盒。
当我们在 App 中去读写沙盒中的文件时，我们会使用 NSFileManager 去查找文件，然后可以使用 NSData 去加载二进制数据。文件操作的更底层实现过程，是使用 linux 的 read()、write() 函数直接操作文件句柄（也叫文件描述符、fd）。
在操作系统层面，当 App 读取一个文件时，实际是有两步：
- 将文件从磁盘读取到物理内存；
- 从系统空间拷贝到用户空间（可以认为是复制到系统给 App 统一分配的内存）。
iOS 系统使用页缓存机制，通过 MMU（Memory Management Unit）将虚拟内存地址和物理地址进行映射，并且由于进程的地址空间和系统的地址空间不一样，所以还需要多一次拷贝。
而 mmap 将磁盘上文件的地址信息与进程用的虚拟逻辑地址进行映射，建立映射的过程与普通的内存读取不同：正常的是将文件拷贝到内存，mmap 只是建立映射而不会将文件加载到内存中。
在内存映射的过程中，并没有实际的数据拷贝，文件没有被载入内存，只是逻辑上被放入了内存，具体到代码，就是建立并初始化了相关的数据结构（struct address_space），这个过程由系统调用 mmap() 实现，所以建立内存映射的效率很高。
既然建立内存映射没有进行实际的数据拷贝，那么进程又怎么能最终直接通过内存操作访问到硬盘上的文件呢？那就要看内存映射之后的几个相关的过程了。
mmap() 会返回一个指针 ptr，它指向进程逻辑地址空间中的一个地址，这样以后，进程无需再调用 read 或 write 对文件进行读写，而只需要通过 ptr 就能够操作文件。但是 ptr 所指向的是一个逻辑地址，要操作其中的数据，必须通过 MMU 将逻辑地址转换成物理地址，如上图中过程 2 所示。这个过程与内存映射无关。
前面讲过，建立内存映射并没有实际拷贝数据，这时，MMU 在地址映射表中是无法找到与 ptr 相对应的物理地址的，也就是 MMU 失败，将产生一个缺页中断，缺页中断的中断响应函数会在 swap 中寻找相对应的页面，如果找不到（也就是该文件从来没有被读入内存的情况），则会通过 mmap() 建立的映射关系，从硬盘上将文件读取到物理内存中，如上图中过程 3 所示。这个过程与内存映射无关。
如果在拷贝数据时，发现物理内存不够用，则会通过虚拟内存机制（swap）将暂时不用的物理页面交换到硬盘上，如图1中过程4所示。这个过程也与内存映射无关。
mmap 内存映射的实现过程，总的来说可以分为三个阶段：
- 进程启动映射过程，并在虚拟地址空间中为映射创建虚拟映射区域
- 调用内核空间的系统调用函数 mmap（不同于用户空间函数），实现文件物理地址和进程虚拟地址的一一映射关系
- 进程发起对这片映射空间的访问，引发缺页异常，实现文件内容到物理内存（主存）的拷贝
2.2 适合的场景
- 有一个很大的文件，因为映射有额外的性能消耗，所以适用于频繁读操作的场景；（单次使用的场景不建议使用）
- 有一个小文件，它的内容您想要立即读入内存并经常访问。这种技术最适合那些大小不超过几个虚拟内存页的文件。（页是地址空间的最小单位，虚拟页和物理页的大小是一样的，通常为 4KB。）
- 需要在内存中缓存文件的特定部分。文件映射消除了缓存数据的需要，这使得系统磁盘缓存中的其他数据空间更大
当随机访问一个非常大的文件时，通常最好只映射文件的一小部分。映射大文件的问题是文件会消耗活动内存。如果文件足够大，系统可能会被迫将其他部分的内存分页以加载文件。将多个文件映射到内存中会使这个问题更加复杂。
2.3 不适合的场景
- 希望从开始到结束的顺序从头到尾读取一个文件
- 文件有几百兆字节或者更大。将大文件映射到内存中会快速地填充内存，并可能导致分页，这将抵消首先映射文件的好处。对于大型顺序读取操作，禁用磁盘缓存并将文件读入一个小内存缓冲区
- 该文件大于可用的连续虚拟内存地址空间。对于 64 位应用程序来说，这不是什么问题，但是对于 32 位应用程序来说，这是一个问题。32 位虚拟内存最大是 4GB，可以只映射部分。
- 因为每次操作内存会同步到磁盘，所以不适用于移动磁盘或者网络磁盘上的文件；
- 变长文件不适用；
三、iOS 中的 mmap
以官网的 demo 为例，其他的代码很简明直接，核心就在于mmap函数。
/**
* @param start 映射开始地址，设置 NULL 则让系统决定映射开始地址
* @param length 映射区域的长度，单位是 Byte
* @param prot 映射内存的保护标志，主要是读写相关，是位运算标志；（记得与下面fd对应句柄打开的设置一致）
* @param flags 映射类型，通常是文件和共享类型
* @param fd 文件句柄
* @param off_toffset 被映射对象的起点偏移
*/
void* mmap(void* start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset);
*outDataPtr = mmap(NULL,
size,
PROT_READ|PROT_WRITE,
MAP_FILE|MAP_SHARED,
fileDescriptor,
0);
用官网的代码做参考，写了一个读写的例子：
#import "ViewController.h"
#import <sys/mman.h>
#import <sys/stat.h>
int MapFile(const char * inPathName, void ** outDataPtr, size_t * outDataLength, size_t appendSize)
{
int outError;
int fileDescriptor;
struct stat statInfo;
// Return safe values on error.
outError = 0;
*outDataPtr = NULL;
*outDataLength = 0;
// Open the file.
fileDescriptor = open( inPathName, O_RDWR, 0 );
if( fileDescriptor < 0 )
{
outError = errno;
}
else
{
// We now know the file exists. Retrieve the file size.
if( fstat( fileDescriptor, &statInfo ) != 0 )
{
outError = errno;
}
else
{
ftruncate(fileDescriptor, statInfo.st_size + appendSize);
fsync(fileDescriptor);
*outDataPtr = mmap(NULL,
statInfo.st_size + appendSize,
PROT_READ|PROT_WRITE,
MAP_FILE|MAP_SHARED,
fileDescriptor,
0);
if( *outDataPtr == MAP_FAILED )
{
outError = errno;
}
else
{
// On success, return the size of the mapped file.
*outDataLength = statInfo.st_size;
}
}
// Now close the file. The kernel doesn’t use our file descriptor.
close( fileDescriptor );
}
return outError;
}
void ProcessFile(const char * inPathName)
{
size_t dataLength;
void * dataPtr;
char *appendStr = " append_key";
int appendSize = (int)strlen(appendStr);
if( MapFile(inPathName, &dataPtr, &dataLength, appendSize) == 0) {
dataPtr = dataPtr + dataLength;
memcpy(dataPtr, appendStr, appendSize);
// Unmap files
munmap(dataPtr, appendSize + dataLength);
}
}
@interface ViewController ()
@end
@implementation ViewController
- (void)viewDidLoad
{
[super viewDidLoad];
NSString * path = [NSHomeDirectory() stringByAppendingPathComponent:@"test.data"];
NSLog(@"path: %@", path);
NSString *str = @"test str";
[str writeToFile:path atomically:YES encoding:NSUTF8StringEncoding error:nil];
ProcessFile(path.UTF8String);
NSString *result = [NSString stringWithContentsOfFile:path encoding:NSUTF8StringEncoding error:nil];
NSLog(@"result:%@", result);
}
在 iOS 的应用实例：
四、MMKV 和 mmap
NSUserDefault 是常见的缓存工具，但是数据有时会同步不及时，比如说在 crash 前保存的值很容易出现保存失败的情况，在 App 重新启动之后读取不到保存的值。
MMKV 很好的解决了 NSUserDefault 的局限，具体的好处可以见官网。
但是同样由于其独特设计，在数据量较大、操作频繁的场景下，会产生性能问题。
这里的使用给出两个建议：
- 不要全部用 defaultMMKV，根据业务大的类型做聚合，避免某一个 MMKV 数据过大，特别是对于某些只会出现一次的新手引导、红点之类的逻辑，尽可能按业务聚合，使用多个 MMKV 的对象；
- 对于需要频繁读写的数据，可以在内存持有一份数据缓存，必要时再更新到 MMKV；
五、NSData 与 mmap
NSData 有一个静态方法和 mmap 有关系。
+ (id)dataWithContentsOfFile:(NSString *)path options:(NSDataReadingOptions)readOptionsMask error:(NSError **)errorPtr;
typedef NS_OPTIONS(NSUInteger, NSDataReadingOptions) {
// Hint to map the file in if possible and safe. 在保证安全的前提下使用 mmap
NSDataReadingMappedIfSafe = 1UL << 0,
// Hint to get the file not to be cached in the kernel. 不要缓存。如果该文件只会读取一次，这个设置可以提高性能
NSDataReadingUncached = 1UL << 1,
// Hint to map the file in if possible. This takes precedence over NSDataReadingMappedIfSafe if both are given. 总使用 mmap
NSDataReadingMappedAlways API_AVAILABLE(macos(10.7), ios(5.0), watchos(2.0), tvos(9.0)) = 1UL << 3,
...
};
- Mapped 的意思是使用 mmap，那么 ifSafe 是什么意思呢？
- NSDataReadingMappedIfSafe 和 NSDataReadingMappedAlways 有什么区别？
如果使用 mmap，则在 NSData 的生命周期内，都不能删除对应的文件。
如果文件是在固定磁盘，非可移动磁盘、网络磁盘，则满足 NSDataReadingMappedIfSafe。对 iOS 而言，这个 NSDataReadingMappedIfSafe = NSDataReadingMappedAlways。
那什么情况下应该用对应的参数？
如果文件很大，直接使用 dataWithContentsOfFile 方法，会导致 load 整个文件，出现内存占用过多的情况；此时用 NSDataReadingMappedIfSafe，则会使用 mmap 建立文件映射，减少内存的占用。
使用场景：视频加载。视频文件通常比较大，但是使用的过程中不会同时读取整个视频文件的内容，可以使用 mmap 优化。
六、总结
mmap 就是文件的内存映射。
通常读取文件是将文件读取到内存，会占用真正的物理内存；而 mmap 是用进程的内存虚拟地址空间去映射实际的文件中，这个过程由操作系统处理。mmap 不会为文件分配物理内存，而是相当于将内存地址指向文件的磁盘地址，后续对这些内存进行的读写操作，会由操作系统同步到磁盘上的文件。
iOS 中使用 mmap 可以用 c 方法的 mmap()，也可以使用 NSData 的接口带上NSDataReadingMappedIfSafe 参数。前者自由度更大，后者用于读取数据。
七、内容来源
落影loyinglin & iOS的文件内存映射——mmap
mmap 苹果官方文档
NSDataReadingMappedIfSafe
小凉介 & iOS内存映射mmap详解
linux中的页缓存和文件IO
从内核文件系统看文件读写过程
linux内存映射mmap原理分析
mmap实例及原理分析