Python内存映射用法介绍

Python内存映射（Python memory mapped files）是一种高效的内存管理技术，它可以将一个磁盘上的文件映射为一个虚拟的内存块。通过这个虚拟的内存块，Python程序中可以像操作普通的内存一样来操作这个文件，从而实现了文件的随意访问。

一、内存映射的基本概念

内存映射是一种基于文件的内存操作方式，它将一个文件中的数据以一定方式映射到了程序的内存空间中，使得程序可以在内存中直接操作这个文件中的数据。这样，无论是读取文件还是写入文件，用内存映射的方式都会比较高效，因为内存是一个非常快速的媒介。

Python中实现内存映射的核心函数是mmap库中的mmap()函数。这个函数可以接收一个文件描述符或者一个已经打开的文件对象作为参数，并将这个文件映射到内存中。需要注意的是，Python内存映射只支持二进制文件（比如txt、dat等）。

import mmap

with open('example.bin', 'rb') as f:
    with mmap.mmap(f.fileno(), 0, access=mmap.ACCESS_READ) as m:
        print(m.readline())

二、内存映射的优缺点

1. 优点

内存映射的优点在于它们可以让程序以与普通内存相同的速度来访问文件数据。由于文件被映射到了内存中，所以对文件的访问就等同于对内存的访问。此外，在内存映射过程中，操作系统会对内存块进行优化，因此读写速度会更快。

除此之外，内存映射还具有以下优点：

内存映射可以避免频繁的文件IO操作，从而降低系统开销；
内存映射可以实现磁盘上的大文件随意访问，为高性能计算提供了支持；
用内存映射的方式操作文件可以减少锁定文件所需的代码复杂度。

2. 缺点

内存映射也有一些缺点，最主要的就是对系统内存的消耗。内存映射会占用多余的内存，这会对系统的稳定性产生一些影响。此外，内存映射只对二进制文件有效，不支持ASCII码、UNICODE字符串等文本文件。

三、内存映射的使用场景

内存映射通常在以下场合使用：

大文件读写：如果处理的文件非常大，使用内存映射方式可以有效消耗系统资源，提高程序的运行效率；
并发操作：如果有多个线程需要同时访问相同的数据文件，使用内存映射可以避免锁定文件，提高并发的效率；
实时数据处理：如果需要在多个程序之间实时交换数据，使用内存映射可以减少数据复制和传输所需的时间和开销。

四、内存映射的使用技巧

1. 以只读方式打开文件

内存映射可以以只读方式打开文件，并通过MAP_PRIVATE标志来保证文件的唯一性。这样可以确保程序对内存映射的数据只读，从而避免了由于程序误操作导致的文件数据被篡改的问题。

import mmap

with open('example.bin', 'rb') as f:
    with mmap.mmap(f.fileno(), 0, access=mmap.ACCESS_READ, flags=mmap.MAP_PRIVATE) as m:
        print(m.readline())

2. 以可读写方式打开文件

在内存映射中，以可读写方式打开文件是可以的，但需要特别小心。为了保证程序对内存映射的数据只读，可以将access参数设置为mmap.ACCESS_READ | mmap.ACCESS_COPY，这样内存映射的数据就不会被写入到文件中。

import mmap

with open('example.bin', 'r+b') as f:
    with mmap.mmap(f.fileno(), 0, access=mmap.ACCESS_READ | mmap.ACCESS_COPY) as m:
        m[0:7] = b'changed'
        print(m.readline())

3. 手动控制缓存的大小

内存映射会使用系统内存，如果使用不当会导致内存不足。因此，对于大文件的映射需要手动控制缓存的大小，以确保程序的正常运行。

import mmap

with open('example.bin', 'rb') as f:
    with mmap.mmap(f.fileno(), 1024*1024, access=mmap.ACCESS_READ) as m:
        print(m.readline())

4. 关闭内存映射

在Python中，内存映射对象是一种具有上下文管理功能的对象。因此，在使用完内存映射对象后，只需要退出with语句，Python会自动关闭内存映射。

import mmap

with open('example.bin', 'rb') as f:
    with mmap.mmap(f.fileno(), 0, access=mmap.ACCESS_READ) as m:
        print(m.readline())

五、总结

内存映射是一种高效的内存管理技术，它可以将一个磁盘上的文件映射为一个虚拟的内存块，提供了高性能和易用性。Python中的内存映射通过mmap库实现，能够满足文件读写的各种需求。但需要注意的是，内存映射会占用系统内存，需要手动控制缓存的大小，以确保程序的正常运行。