【Linux 應用編程】進程管理 - 進程間通訊IPC之共享內存 mmap

IPC（InterProcess Communication，進程間通訊）是進程中的重要概念。Linux 進程之間經常使用的通訊方式有：

• 文件：簡單，低效，須要代碼控制同步
• 管道：使用簡單，默認阻塞
  • 匿名管道 pipe：只存在於內核緩衝區，只能用於有血緣關係的進程
  • 有名管道 FIFO：在文件系統中存在，可用於無血緣關係的進程
• 信號量：使用複雜，但開銷小，操做系統自己支持信號量
• 內存映射區 mmap：進程有無血緣關係均可以
• 本地套接字 socket：穩定可靠

共享內存

經過共享內存，兩個不相干的進程可使用同一段邏輯內存。這塊內存一般也是同一段物理內存。每一個進程都把這段共享內存鏈接到本身的地址空間中，直接訪問。

共享內存是進程間傳遞數據的經常使用方式，很是高效。

共享內存的使用

POSIX 共享內存區的使用包含四個步驟：

• 調用 shm_open 建立一個新的共享內存區對象（或打開一個以存在的共享內存區對象）
• 調用 mmap 把這個共享內存區映射到調用進程的地址空間
• 調用 munmap() 取消共享內存映射
• 調用 shm_unlink()函數刪除共享內存段

在編譯 POSIX 共享內存應用程序時須要加上 -lrt 參數。

shm_open 函數

shm_open() 函數用來打開或者建立一個共享內存區，兩個進程能夠經過給 shm_open() 函數傳遞相同的名字以達到操做同一共享內存的目的。

新建的共享內存區大小默認爲 0，須要使用 ftruncate 函數設置大小才能使用。

函數原型：

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);

返回值：
成功返回建立或打開的共享內存描述符（與文件描述符相同做用），失敗返回-1。

參數：

• name：建立的共享內存的名稱，其它進程能夠根據這個名稱來打開共享內存
• oflag：如下值的或值：
  • O_RDONLY：共享內存以只讀方式打開；
  • O_RDWR：共享內存以可讀寫方式打開；
  • O_CREAT：共享內存不存在才建立；
  • O_EXCL：若是指定了 O_CREAT，但共享內存已經存在時返回錯誤；
  • O_TRUNC：若是共享內存已存在則將大小設置爲 0；
• 參數 mode 只有指定 O_CREAT 纔有效指出，指出共享內存的權限，與 open()函數
  相似。

ftruncate 函數

新建的共享內存默認大小爲 0，須要設置共享內存大小。ftruncate()函數可用來調整文件或者共享內存的大小。

函數原型：

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
int ftruncate(int fd, off_t length);

函數成功返回 0，失敗返回-1。
參數：

• fd：須要調整的共享內存或者文件
• length：大小

mmap 函數

共享內存建立或打開後，是不能在進程內直接使用的。須要先映射到當前進程的地址空間。

函數原型：

#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset);

參數：

• addr：指向映射存儲區的起始地址，一般將其設置爲 NULL，這表示由系統選擇該
  映射區的起始地址；
• len：映射的字節數；
• prot：對映射存儲區的保護要求，對指定映射存儲區的保護要求不能超過文件 open
  模式訪問權限。它能夠爲如下值的或值：
  • PROT_READ：映射區可讀)；
  • PROT_WRITE：映射區可寫；
  • PROT_EXEC：映射區可執行；
  • PROT_NONE：映射區不可訪問。
• flag：映射標誌位，可爲如下值的或值：
  • MAP_FIXED：返回值必須等於 addr。由於這不利於可移植性，因此不鼓勵使用此標誌；
  • MAP_SHARED：多個進程對同一個文件的映射是共享的，一個進程對映射的
    內存作了修改，另外一個進程也會看到這種變化；
    MAP_PRIVATE：多個進程對同一個文件的映射不是共享的，一個進程對映射
    的內存作了修改，另外一個進程並不會看到這種變化。
• fd：要被映射的文件描述符或者共享內存描述符；
• offset：要映射字節在文件中的起始偏移量。

munmap 函數

函數原型：

#include <sys/mman.h>
int munmap(void *addr, size_t length);

函數成功返回 0，不然返回-1；
參數：

• addr 爲 mmap()函數返回的地址
• length 是映射的字節數。取消映射後再對映射地址訪問會致使調用進程收到 SIGSEGV 信號。

shm_unlink 函數

函數原型：

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int shm_unlink(const char *name);

函數成功返回 0，不然返回-1。

示例

兩個沒有血緣關係的進程，也可使用共享內存進行進程間通訊：