Linux進程間通訊-------共享內存之mmap詳解

時間  2019-11-12
標籤 linux 進程 通訊 共享 內存 mmap 詳解 欄目 Linux 简体版
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mmap()系統調用使得進程之間經過映射同一個普通文件實現共享內存。普通文件被映射到進程地址空間後，進程能夠向訪問普通內存同樣對文件進行訪問，沒必要再調用read()，write（）等操做。linux

void *mmap(void *start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offsize);

頭文件：#include <sys/mman.h>緩存


具體參數含義
start ：  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。
length：  表明將文件中多大的部分映射到內存。
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
flags ：  影響映射區域的各類特性。在調用mmap()時必需要指定MAP_SHARE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。一般不鼓勵用此旗標。
                    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）。
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。有些系統不支持匿名內存映射，則可使用fopen打開/dev/zero文件，
          而後對該文件進行映射，能夠一樣達到匿名內存映射的效果。
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PAGE_SIZE的整數倍。

返回值：
      若映射成功則返回映射區的內存起始地址，不然返回MAP_FAILED(－1)，錯誤緣由存於errno 中。

錯誤代碼：
            EBADF  參數fd 不是有效的文件描述詞
            EACCES 存取權限有誤。若是是MAP_PRIVATE 狀況下文件必須可讀，使用MAP_SHARED則要有PROT_WRITE以及該文件要能寫入。
            EINVAL 參數start、length 或offset有一個不合法。
            EAGAIN 文件被鎖住，或是有太多內存被鎖住。
            ENOMEM 內存不足。
用戶層的調用很簡單，其具體功能就是直接將物理內存直接映射到用戶虛擬內存，使用戶空間能夠直接對物理空間操做。可是對於內核層而言，其具體實現比較複雜。app

int msync ( void * addr, size_t len, int flags);

頭文件： #include<sys/mman.h>函數

簡介：測試

一、刷新變化函數msync()this

二、進程在映射空間的對共享內容的改變並不直接寫回到磁盤文件中，每每在調用munmap()後才執行該操做。能夠經過調用msync()函數來實現磁盤文件內容與共享內存區中的內容一致,即同步操做.spa

說明：
1. 當映射區數據被修改時，內核會稍後將其更新到文件。但有時候爲了確保修改能被反映到文件，能夠調用 msync 函數來進行同步操做。
2. addr：文件映射到進程空間的地址；len：映射空間的大小；。
3. 參數 flags 控制回寫到文件的具體方式。MS_ASYNC 、MS_SYNC 必須指定其一。
1）MS_ASYNC ，只是將寫操做排隊，並不等待寫操做完成就返回。
2）MS_SYNC ，等待寫操做完成後才返回。
3）MS_INVALIDATE ，做廢與實際文件內容不一致緩存頁，有的實現則是做廢整個映射區的緩存頁。後續的引用將從文件獲取數據。code

返回值：成功則返回0；失敗則返回-1；htm

一、實例：blog

在目錄新建一個文件data裏面內容以下：

代碼例子：

#include <sys/mman.h>  
#include <sys/stat.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <unistd.h>  
#include <error.h>  
  
#define BUF_SIZE 100  
  
int main(int argc, char **argv)  
{  
    int fd, nread, i;  
    struct stat sb;  
    char *mapped, buf[BUF_SIZE];  
  
    for (i = 0; i < BUF_SIZE; i++) {  
        buf[i] = '#';  
    }  
  
    /* 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[20] = '9';  
    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;  
}

測試結果：

二、使用共享映射實現兩個進程之間的通訊：

仍是使用文件data做爲測試：

兩個程序映射同一個文件到本身的地址空間, 進程A先運行, 每隔兩秒讀取映射區域, 看是否發生變化. 進程B後運行, 它修改映射區域, 而後推出, 此時進程A可以觀察到存儲映射區的變化0.

代碼：

//進程A的代碼
    #include <sys/mman.h>  
    #include <sys/stat.h>  
    #include <fcntl.h>  
    #include <stdio.h>  
    #include <stdlib.h>  
    #include <unistd.h>  
    #include <error.h>  
      
    #define BUF_SIZE 100  
      
    int main(int argc, char **argv)  
    {  
        int fd, nread, i;  
        struct stat sb;  
        char *mapped, buf[BUF_SIZE];  
      
        for (i = 0; i < BUF_SIZE; i++) {  
            buf[i] = '#';  
        }  
      
        /* 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");  
        }  
      
        /* 文件已在內存, 關閉文件也能夠操縱內存 */  
        close(fd);  
          
        /* 每隔兩秒查看存儲映射區是否被修改 */  
        while (1) {  
            printf("%s\n", mapped);  
            sleep(2);  
        }  
      
        return 0;  
    }
//進程B的代碼
    #include <sys/mman.h>  
    #include <sys/stat.h>  
    #include <fcntl.h>  
    #include <stdio.h>  
    #include <stdlib.h>  
    #include <unistd.h>  
    #include <error.h>  
      
    #define BUF_SIZE 100  
      
    int main(int argc, char **argv)  
    {  
        int fd, nread, i;  
        struct stat sb;  
        char *mapped, buf[BUF_SIZE];  
      
        for (i = 0; i < BUF_SIZE; i++) {  
            buf[i] = '#';  
        }  
      
        /* 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");  
        }  
      
        /* 私有文件映射將沒法修改文件 */  
        if ((mapped = (char *)mmap(NULL, sb.st_size, PROT_READ |   
                        PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, 0)) == (void *)-1) {  
            perror("mmap");  
        }  
      
        /* 映射完後, 關閉文件也能夠操縱內存 */  
        close(fd);  
      
        /* 修改一個字符 */  
        mapped[20] = '9';  
       
        return 0;  
    }

三、經過匿名映射實現父子進程通訊

#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);  
            printf("child got a message: %s\n", p_map);  
            sprintf(p_map, "%s", "hi, dad, this is 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", "hi, this is father");  
        sleep(2);  
        printf("parent got a message: %s\n", p_map);  
      
        return 0;  
    }

四、對mmap()返回地址的訪問

linux採用的是頁式管理機制。對於用mmap()映射普通文件來講，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，注意，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。簡單的說，可以容納文件被映射部分大小的最少頁面個數決定了進程從mmap()返回的地址開始，可以有效訪問的地址空間大小。超過這個空間大小，內核會根據超過的嚴重程度返回發送不一樣的信號給進程。可用以下圖示說明：

http://dl2.iteye.com/upload/attachment/0054/8699/1be9f93e-d964-3b32-b0ff-611329940295.gif

總結一下就是, 文件大小, mmap的參數 len 都不能決定進程能訪問的大小, 而是容納文件被映射部分的最小頁面數決定進程能訪問的大小. 下面看一個實例:

#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,i;  
        int pagesize,offset;  
        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);  
        printf("file size is %zd\n", (size_t)sb.st_size);  
      
        offset = 0;   
        p_map = (char *)mmap(NULL, pagesize * 2, PROT_READ|PROT_WRITE,   
                MAP_SHARED, fd, offset);  
        close(fd);  
          
        p_map[sb.st_size] = '9';  /* 致使總線錯誤 */  
        p_map[pagesize] = '9';    /* 致使段錯誤 */  
      
        munmap(p_map, pagesize * 2);  
      
        return 0;  
    }
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