Python mmap基础教程

1. 引言

mmap是Python中一种用于操作文件的标准库方法，它可以将一个文件映射至内存，让我们可以通过内存访问文件的内容，进行随机读写操作。这对于文件较大的情况非常有用，比如我们需要读取一个非常大的日志文件，可以无需一次性将整个文件读入内存，而是将需要读取的部分直接映射至内存中，进行读取，不仅能减轻内存负担，还能提高文件的读写速度，从而提高程序的性能。

本篇教程将会详细介绍Python中使用mmap库进行文件操作的方法和步骤，让读者能够通过学习本文，获得使用mmap库处理文件的知识和技巧。

2. mmap基础概念

在介绍mmap库的具体使用前，我们需要先了解一下内存映射文件的基本概念。

mmap，全称为Memory-Mapped Files，即”内存映射文件”，是一种通过将一个文件或设备映射至进程地址空间，让文件或设备可以被看作一片内存来使用的技术。映射后的文件数据存放在虚拟内存中，而不是在真实的内存中，只有在需要访问对应数据时才会被装入真实的内存中。

在Python中，我们可以使用mmap库来实现对文件的内存映射，从而进行文件的读取和写入操作。对于读取较大文件、对文件进行随机读写操作等场景，使用mmap库可以极大地提高读写效率，节省内存空间。

3. mmap库基础用法

3.1 打开文件

要使用mmap库进行文件映射，首先需要打开对应的文件。打开文件的代码示例如下：

import mmap

with open("file.txt", "r") as f:
    # 定位到文件末尾
    f.seek(0, 2)
    # 文件大小（字节数）
    size = f.tell()
    # 回到文件头
    f.seek(0)
    # mmap映射
    mm = mmap.mmap(f.fileno(), size)

其中，open()函数用于打开要操作的文件，以只读方式打开文件时，第二个参数需要传入”r”，以读写方式打开文件时，传入”w”。调用fileno()方法可以获得文件的文件描述符，然后调用mmap()函数进行映射。映射成功后，可以通过mm[index]或mm[start:end]来访问文件中对应的数据。

3.2 读取文件

在文件映射成功后，可以通过mm[:]或每次只映射一部分文件再进行读取，来访问文件的内容。

下面是读取整个文件的示例代码：

import mmap

with open("file.txt", "r") as f:
    # 定位到文件末尾
    f.seek(0, 2)
    # 文件大小（字节数）
    size = f.tell()
    # 回到文件头
    f.seek(0)
    # mmap映射
    mm = mmap.mmap(f.fileno(), size)

    # 读取整个文件
    print(mm[:])

    # 关闭映射和文件
    mm.close()

在上面的示例代码中，我们先打开文件并将文件映射至内存中，然后使用mm[:]来读取整个文件，最后关闭映射和文件。

下面是每次只映射一部分文件再读取的示例代码：

import mmap

with open("file.txt", "r") as f:
    while True:
        # 一次读取100字节
        l = f.read(100)
        if not l:
            break
        # 映射
        mm = mmap.mmap(f.fileno(), 100, access=mmap.ACCESS_READ)
        print(mm[:])
        mm.close()

在上面的示例代码中，我们使用了read()函数每次读取100字节，并对每次读取的数据进行映射和读取。由于每次只映射一部分文件，因此在处理大文件时，可以用这种方法来分批处理。

3.3 写入文件

在文件映射成功后，我们还可以直接修改内存中的数据，并将其写入文件中。

下面是写入文件的示例代码：

import mmap

with open("file.txt", "r+") as f:
    # 定位到文件末尾
    f.seek(0, 2)
    # 文件大小（字节数）
    size = f.tell()
    # 回到文件头
    f.seek(0)
    # mmap映射
    mm = mmap.mmap(f.fileno(), size)
    # 修改文件内容
    mm[0:5] = b"ABCDE"
    # 将修改写入文件
    mm.flush()
    # 关闭映射和文件
    mm.close()

在上面的示例代码中，我们首先将文件映射至内存中，然后使用mm[start:end]来修改内存中的数据。在写入完成后，使用mm.flush()将修改写入文件，最后关闭映射和文件。

4. mmap库的进阶用法

4.1 修改文件权限

在使用mmap库进行文件操作时，可能会出现文件权限不足的情况，此时需要修改文件的权限。可以使用os.chmod()函数来修改文件的权限。

示例代码如下：

import os
import mmap

# 修改文件权限
os.chmod("file.txt", 0o777)

with open("file.txt", "r+") as f:
    # 定位到文件末尾
    f.seek(0, 2)
    # 文件大小（字节数）
    size = f.tell()
    # 回到文件头
    f.seek(0)
    # mmap映射
    mm = mmap.mmap(f.fileno(), size)
    # 修改文件内容
    mm[0:5] = b"ABCDE"
    # 将修改写入文件
    mm.flush()
    # 关闭映射和文件
    mm.close()

在上面的示例代码中，我们使用os.chmod()函数修改了文件的权限，然后用mmap库对文件进行了修改。

4.2 非阻塞映射

在进行文件映射时，有时候会出现访问文件锁定的情况，进而导致程序阻塞。为了避免文件映射的阻塞，可以使用mmap.MAP_NORESERVE标志位来进行非阻塞映射。

示例代码如下：

import mmap

with open("file.txt", "r+") as f:
    # 定位到文件末尾
    f.seek(0, 2)
    # 文件大小（字节数）
    size = f.tell()
    # 回到文件头
    f.seek(0)
    # mmap映射
    mm = mmap.mmap(f.fileno(), size, flags=mmap.MAP_SHARED | mmap.MAP_NORESERVE)
    # 修改文件内容
    mm[0:5] = b"ABCDE"
    # 将修改写入文件
    mm.flush()
    # 关闭映射和文件
    mm.close()

在上面的示例代码中，我们使用mmap.MAP_NORESERVE标志位进行了非阻塞映射，避免了文件锁定导致的阻塞现象。

4.3 虚拟内存控制

虚拟内存控制是指在进行文件映射后，通过控制虚拟内存来控制文件的读写权限和映射方式。可以使用mmap.PROT_READ/mmap.PROT_WRITE/mmap.PROT_EXEC/mmap.PROT_NONE标志位来设置页面的权限。

示例代码如下：

import mmap

with open("file.txt", "r+") as f:
    # 定位到文件末尾
    f.seek(0, 2)
    # 文件大小（字节数）
    size = f.tell()
    # 回到文件头
    f.seek(0)
    # mmap映射
    mm = mmap.mmap(f.fileno(), size, prot=mmap.PROT_READ)
    # 修改文件内容
    mm[0:5] = b"ABCDE"
    # 将修改写入文件
    mm.flush()
    # 关闭映射和文件
    mm.close()

在上面的示例代码中，我们使用mmap.PROT_READ标志位设置了页面的权限为只读，从而避免了对文件的篡改和误操作。

5. 总结

本文介绍了Python中使用mmap库进行文件操作的基本知识和技巧。mmap库不仅能够提高程序读写文件的效率，还能节省内存空间，因此在处理大文件时非常有用。在使用mmap库进行文件操作时，需要注意权限、阻塞、虚拟内存控制等问题，避免出现程序错误和不安全情况。