5.10 内存映射的二进制文件

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小牛编辑

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2023-12-01

问题

你想内存映射一个二进制文件到一个可变字节数组中，目的可能是为了随机访问它的内容或者是原地做些修改。

解决方案

使用 mmap 模块来内存映射文件。下面是一个工具函数，向你演示了如何打开一个文件并以一种便捷方式内存映射这个文件。

import os
import mmap

def memory_map(filename, access=mmap.ACCESS_WRITE):
    size = os.path.getsize(filename)
    fd = os.open(filename, os.O_RDWR)
    return mmap.mmap(fd, size, access=access)

为了使用这个函数，你需要有一个已创建并且内容不为空的文件。下面是一个例子，教你怎样初始创建一个文件并将其内容扩充到指定大小：

>>> size = 1000000
>>> with open('data', 'wb') as f:
...     f.seek(size-1)
...     f.write(b'\x00')
...
>>>

下面是一个利用 memory_map() 函数类内存映射文件内容的例子：

>>> m = memory_map('data')
>>> len(m)
1000000
>>> m[0:10]
b'\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00'
>>> m[0]
0
>>> # Reassign a slice
>>> m[0:11] = b'Hello World'
>>> m.close()

>>> # Verify that changes were made
>>> with open('data', 'rb') as f:
... print(f.read(11))
...
b'Hello World'
>>>

mmap() 返回的 mmap 对象同样也可以作为一个上下文管理器来使用，这时候底层的文件会被自动关闭。比如：

>>> with memory_map('data') as m:
...     print(len(m))
...     print(m[0:10])
...
1000000
b'Hello World'
>>> m.closed
True
>>>

默认情况下， memeory_map() 函数打开的文件同时支持读和写操作。任何的修改内容都会复制回原来的文件中。如果需要只读的访问模式，可以给参数 access 赋值为 mmap.ACCESS_READ 。比如：

m = memory_map(filename, mmap.ACCESS_READ)

如果你想在本地修改数据，但是又不想将修改写回到原始文件中，可以使用 mmap.ACCESS_COPY ：

m = memory_map(filename, mmap.ACCESS_COPY)

讨论

为了随机访问文件的内容，使用 mmap 将文件映射到内存中是一个高效和优雅的方法。例如，你无需打开一个文件并执行大量的 seek() ， read() ， write() 调用，只需要简单的映射文件并使用切片操作访问数据即可。

一般来讲， mmap() 所暴露的内存看上去就是一个二进制数组对象。但是，你可以使用一个内存视图来解析其中的数据。比如：

>>> m = memory_map('data')
>>> # Memoryview of unsigned integers
>>> v = memoryview(m).cast('I')
>>> v[0] = 7
>>> m[0:4]
b'\x07\x00\x00\x00'
>>> m[0:4] = b'\x07\x01\x00\x00'
>>> v[0]
263
>>>

需要强调的一点是，内存映射一个文件并不会导致整个文件被读取到内存中。也就是说，文件并没有被复制到内存缓存或数组中。相反，操作系统仅仅为文件内容保留了一段虚拟内存。当你访问文件的不同区域时，这些区域的内容才根据需要被读取并映射到内存区域中。而那些从没被访问到的部分还是留在磁盘上。所有这些过程是透明的，在幕后完成！

如果多个Python解释器内存映射同一个文件，得到的 mmap 对象能够被用来在解释器直接交换数据。也就是说，所有解释器都能同时读写数据，并且其中一个解释器所做的修改会自动呈现在其他解释器中。很明显，这里需要考虑同步的问题。但是这种方法有时候可以用来在管道或套接字间传递数据。

这一小节中函数尽量写得很通用，同时适用于Unix和Windows平台。要注意的是使用 mmap() 函数时会在底层有一些平台的差异性。另外，还有一些选项可以用来创建匿名的内存映射区域。如果你对这个感兴趣，确保你仔细研读了Python文档中这方面的内容。