linux內存管理——mmap函數詳解

本文在這篇文章的基礎上，略做修改。由於本人經過實驗發現這篇文章存在些許錯誤。
原文連接： https://yq.aliyun.com/article...

mmap函數是unix/linux下的系統調用。
當存在客戶－服務程序中複製文件時候，其數據流以下，要經歷四次數據複製，開銷很大。

若是採用共享內存的方式，那麼將大大優化IO操做，數據流變成了以下，數據只複製兩次：

映射文件或設備到內存中，取消映射就是munmap函數。

語法以下：

void mmap(void addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

int munmap(void *addr, size_t length);

該函數主要用途有三個：

一、將普通文件映射到內存中，一般在須要對文件進行頻繁讀寫時使用，用內存讀寫取代I/O讀寫，以得到較高的性能；

二、將特殊文件進行匿名內存映射，爲關聯進程提供共享內存空間；

三、爲無關聯的進程間的Posix共享內存（SystemV的共享內存操做是shmget/shmat）

咱們來看下函數的入參選擇：

一、參數addr：

指向欲映射的內存起始地址，一般設爲 NULL，表明讓系統自動選定地址，映射成功後返回該地址。

二、參數length：

表明將文件中多大的部分映射到內存。

三、參數prot：

映射區域的保護方式。能夠爲如下幾種方式的組合：

PROT_EXEC 映射區域可被執行

PROT_READ 映射區域可被讀取

PROT_WRITE 映射區域可被寫入

PROT_NONE 映射區域不能存取

四、參數flags：

影響映射區域的各類特性。在調用mmap()時必需要指定MAP_SHARED 或MAP_PRIVATE。

MAP_FIXED 若是參數start所指的地址沒法成功創建映射時，則放棄映射，不對地址作修正。一般不鼓勵用此。

MAP_SHARED對映射區域的寫入數據會複製迴文件內，並且容許其餘映射該文件的進程共享。

MAP_PRIVATE 對映射區域的寫入操做會產生一個映射文件的複製，即私人的「寫入時複製」（copy on write）對此區域做的任何修改都不會寫回原來的文件內容。

MAP_ANONYMOUS創建匿名映射。此時會忽略參數fd，不涉及文件，並且映射區域沒法和其餘進程共享。

MAP_DENYWRITE只容許對映射區域的寫入操做，其餘對文件直接寫入的操做將會被拒絕。

MAP_LOCKED 將映射區域鎖定住，這表示該區域不會被置換（swap）。

五、參數fd：

要映射到內存中的文件描述符。若是使用匿名內存映射時，即flags中設置了MAP_ANONYMOUS，fd設爲-1。

六、參數offset：

文件映射的偏移量，一般設置爲0，表明從文件最前方開始對應，offset必須是分頁大小的整數倍。以下圖內存映射文件的示例。

如下示例代碼，在ubuntu 16.04.4上測試經過。gcc版本：5.4.0
使用dd命令，能夠建立任意大小的測試文件。
好比：dd if=/dev/zero of=/tmp/hello.txt bs=4096 count=1
即在/tmp目錄下建立一個大小爲4096的文件。

1 共享映射
修改共享內存中的文件內容：

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <error.h>

int main (int argc, char **argv) 
{
    int fd, nread, i;
    struct stat sb;
    char *mapped;
    
    if ( argc <= 1 ) {
        printf("%s: Need file path! \n",argv[0]);
        exit(-1);
    }

    /* 打開文件 */
    if ((fd = open (argv[1], O_RDWR)) < 0) {
        perror ("open");
    }

    /* 獲取文件的屬性 */
    if ((fstat (fd, &sb)) == -1) {
        perror ("fstat");
    }

    /* 將文件映射至進程的地址空間 */

    if ((mapped = (char *) mmap (NULL, sb.st_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0)) == (void *) -1) {
        perror ("mmap");
    }

    /* 映射完後, 關閉文件也能夠操縱內存 */
    close (fd);

    printf ("%s", mapped);
  
    /* 修改一個字符,同步到磁盤文件 */
    mapped[0] = '0';

    if ((msync ((void *) mapped, sb.st_size, MS_SYNC)) == -1) {
        perror ("msync");
    }

    /* 釋放存儲映射區 */
    if ((munmap ((void *) mapped, sb.st_size)) == -1) {
        perror ("munmap");
    }
  
    return 0;
 }

編譯：
$ gcc -c lianxi1.c
連接:
$ gcc -o out1 lianxi1.o
執行, 參數爲一個文件全路徑。例如在/tmp下建立一個hello1.txt,存入hello單詞:
$ ./out1 /tmp/hello1.txt
執行完畢後發現文件中的第一個字母h變成了0。
程序將文件映射到了內存中，並將第一個字符進行了修改並同步到了磁盤文件中。

2 父子進程通訊
使用fork建立進程，父子進程分別往共享內存中寫入各自字符串，並讀出。

#include <sys/mman.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

#define BUF_SIZE 100

int main (int argc, char **argv) 
{
    char *p_map;

    /* 匿名映射,建立一塊內存供父子進程通訊 */
    p_map = (char *) mmap (NULL, BUF_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
    if (fork () == 0) {
        sleep (1); //能夠修改此處睡眠時間，看看不一樣的輸出。
        printf ("child got a message: %s\n", p_map);
        sprintf (p_map, "%s", "from u son");
        munmap (p_map, BUF_SIZE); //實際上，進程終止時，會自動解除映射。 
        exit (0);
    } 

    sprintf (p_map, "%s", "from u father");
    sleep (2); //能夠修改此處睡眠時間，看看不一樣的輸出。
    printf ("parent got a message: %s\n", p_map);

    return 0;
}

編譯：
$ gcc -c lianxi2.c
連接:
$ gcc -o out2 lianxi2.o
執行:
$ ./out2
這段代碼，根據父子進程的sleep時間長短不一樣，輸出會有不一樣。

3 內存訪問溢出
linux採用的是頁式管理機制，使用mmap()映射普通文件後，進程會在本身的地址空間新增一塊空間，空間大小由mmap()的len參數指定。可是，進程並不必定可以對所有新增空間都能進行有效訪問。進程可以訪問的有效地址大小取決於文件被映射部分的大小。決定進程能訪問的大小是容納文件被映射部分的最小頁面數。以下圖。

#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h> 

int main (int argc, char **argv)
{
    int fd;
    int pagesize, offset;
    int len, size;
    char *p_map;
    struct stat sb;

    /* 取得page size */
    pagesize = sysconf (_SC_PAGESIZE);
    printf ("pagesize is %d\n", pagesize);

    /* 打開文件 */
    fd = open (argv[1], O_RDWR, 00777);
    fstat (fd, &sb);

    len = pagesize * 2;
    size = sb.st_size;
    printf("映射內存長度: %d; 文件大小: %d\n", len, size);
    offset = 0;
    //映射兩頁內存
    p_map = (char *) mmap (NULL, len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, offset);
    close (fd);

    printf("開始測試\n");
    printf("訪問超過映射大小內存地址\n");
    p_map[len] = '9';      /* 致使段錯誤 */

    if(size < pagesize) {  //文件大小小於一頁大小
        printf("文件大小小於一頁大小\n");
        printf("訪問文件大小內存地址\n");
        p_map[size] = '9';    /* 正常訪問 */
        printf("訪問一頁大小內存地址\n");
        p_map[pagesize - 1] = '9'; /* 正常訪問 */
        printf("訪問超過一頁大小內存地址\n");
        p_map[pagesize] = '9'; /* 致使總線錯誤 */
        printf("訪問映射大小內存地址\n");
        p_map[len - 1] = '9'; /* 致使總線錯誤 */
    } else if(size > pagesize) { //文件大小大於一頁大小
        printf("文件大小大於一頁大小\n");
        printf("訪問文件大小內存地址\n");
        p_map[size] = '9';    /* 正常訪問 */
        printf("訪問一頁大小內存地址\n");
        p_map[pagesize - 1] = '9'; /* 正常訪問 */
        printf("訪問超過一頁大小內存地址\n");
        p_map[pagesize] = '9'; /* 正常訪問 */
        printf("訪問映射大小內存地址\n");
        p_map[len - 1] = '9'; /*  正常訪問 */
    } else { //文件大小等於一頁大小
        printf("文件大小等於一頁大小\n");
        printf("訪問文件大小內存地址\n");
        p_map[size] = '9';    /* 致使總線錯誤 */
        printf("訪問一頁大小內存地址\n");
        p_map[pagesize - 1] = '9'; /* 正常訪問 */
        printf("訪問超過一頁大小內存地址\n");
        p_map[pagesize] = '9'; /* 致使總線錯誤 */
        printf("訪問映射大小內存地址\n");
        p_map[len - 1] = '9'; /*  致使總線錯誤 */
    }

    munmap (p_map, len);

    return 0;
}

編譯：
$ gcc -c lianxi3.c
連接:
$ gcc -o out3 lianxi3.o
執行, 參數爲一個文件全路徑。例如在/tmp下建立h三個文件，分別對應文件大小大於一頁內存大小的dayu.txt,文件大小小於一頁內存大小的xiaoyu.txt, 文件大小等於一頁內存大小的dengyu.txt:
$ ./out3 dayu.txt
$ ./out3 xiaoyu.txt
$ ./out3 dengyu.txt

修改代碼中的測試用例，屢次編譯、連接、執行。

本文實例代碼在github上: https://github.com/lansheng22...