Linux第八天:共享存储映射、匿名映射

知识点

  • 共享内存
    mmap函数:参数、返回值。

  • 借助共享内存访问磁盘文件:使用mmap将文件映射到内存,就可以使用指针来对文件进行操作。

  • 父子进程(血缘关系进程)使用mmap通信
  • 匿名映射区

共享存储映射

文件进程间通信

使用文件也可以完成IPC,理论依据是,fork后,父子进程共享文件描述符。也就共享打开的文件。

我们来看下面这段代码,这是一个父子进程共享打开的文件描述符(是结构体,不是那个数字),使用文件完成进程间通信。子进程向文件里面写入文件,父进程从文件里面读出信息来。

mmap函数

函数功能:

函数原型:

参数介绍:
addr: 建立映射区的首地址,由Linux内核指定。使用时,直接传递NULL

length:欲创建映射区的大小

prot:映射区权限PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_READ|PROT_WRITE

flags:标志位参数(常用于设定更新物理区域、设置共享、创建匿名映射区)
- MAP_SHARED:  会将映射区所做的操作反映到物理设备(磁盘)上。
- MAP_PRIVATE: 映射区所做的修改不会反映到物理设备。

fd:用来建立映射区的文件描述符

offset:映射文件的偏移(4k的整数倍),可以把整个文件都映射到内存空间,也可以只把一部分文件内容映射到内存空间。

返回:成功:返回创建的映射区首地址;失败:MAP_FAILED宏

映射区:把磁盘空间上的一个文件映射到内存当中的一块缓冲区上。

munmap的作用就是释放掉所分配的内存。

例程:创建一个映射区,然后把字符串“abc”输出到硬盘字符文件中。

使用mmap注意事项

  1. 使用malloc可以分配0字节大小的内存,但是用mmap却不能创建0字节大小的映射区。这要求我们:创建一个新文件以后一定要指定一定的大小才可以使用mmap。
  2. 如果我们分配映射区之后将首地址赋值给mem,这个时候我们将指针mem后移一位(++mem),那么输入内容还是可以输入的,但是munmap操作就会失败。这要求我们:在移动mem指针后,如果完成了所有操作,必须将mem移回初始位置。
  3. 如果open文件的时候设置的权限是只读(O_RDONLY),mmap的时候PROT参数指定为PROT_READ | PROT_WRITE,且设置为MAP_SHARED,那么就会报错,提示Permission denied。如果设置为MAP_PRIVATE,就会出现“总线错误(核心已转储)”。这要求我们:创建映射区的时候要小于等于打开文件的权限,映射区创建过程中隐含着一次对文件的读操作。
  4. 最后一个参数offset必须是4k的整数倍。这是因为映射是由MMU帮忙创建的,而MMU操作的基本单位就是4K,所以才会这样。
  5. 文件描述符先关闭,对mmap映射没有影响。所谓文件描述符是你用mmap进行映射的句柄,当映射建立以后,这个文件描述符就没有什么作用了。

mmap父子进程间的通信

我们看如下例程:

这个例程的输出结果如下:
child, *p = 2000, var = 1000
parent, *p = 2000, var =100

为什么是这样的结果呢?这是由于我们在之前学习的时候就提到过:
父子进程共享:
* 文件描述符(打开文件的结构体) 
* mmap建立的映射区 (进程间通信详解)

p位于映射区,而var是全局变量,位于0~3G的用户区,遵循读时共享写时复制的原则,子进程在修改的时候自动执行了复制操作,所以子进程只修改了自己复制的那一份的内容。

当我们把MAP_SHARED修改为MAP_PRIVATE时,父子进程独享内存映射区。所以次数的输出为
child, *p = 2000, var = 1000
parent, *p = 0, var =100

匿名映射

通过使用我们发现,使用映射区来完成文件读写操作十分方便,父子进程间通信也较容易。但缺陷是,每次创建映射区一定要依赖一个文件才能实现。通常为了建立映射区要open一个temp文件,创建好了再unlink、close掉,比较麻烦。 可以直接使用匿名映射来代替。其实Linux系统给我们提供了创建匿名映射区的方法,无需依赖一个文件即可创建映射区。同样需要借助标志位参数flags来指定。
在mmap中使用MAP_ANONYMOUS (或MAP_ANON)参数。

需注意的是,MAP_ANONYMOUS和MAP_ANON这两个宏是Linux操作系统特有的宏。在其它类Unix系统中如无该宏定义,可使用如下两步来完成匿名映射区的建立。
1. fd = open("/dev/zero", O_RDWR);
2. p = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);

其它类Unix系统包括IBM、苹果、惠普和sun等开发的商业版本以及BSD等。

mmap无血缘关系进程间通信

实质上mmap是内核借助文件帮我们创建了一个映射区,多个进程之间利用该映射区完成数据传递。由于内核空间多进程共享,因此无血缘关系的进程间也可以使用mmap来完成通信。只要设置相应的标志位参数flags即可。若想实现共享,当然应该使用MAP_SHARED了。

mmap_w.c

mmap_r.c

最后在说几句,当我们新建了一块内存映射,我们应该把这块内存当做数组来看待。所谓mm或者说p指向了数组的首地址。

以上是我们针对非血缘关系进程在内存区进行操作,那么我们可否将文件作为通信的桥梁呢?答案是可以的。文件打开是得到文件结构体,文件结构体在内核中,a、b两个进程内核处于同一区域,所以是可以的。

strace函数

可以追踪这个可执行文件使用到的系统调用有哪些。可以看到,我们在使用open/write/read函数的时候,系统底层都在使用mmap函数。