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。
#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <string.h>#include <stdlib.h>#include <fcntl.h>#include <sys/wait.h>int main(void){ int fd1, fd2; pid_t pid; char buf[1024]; char *str = "---test for shared fd in parent child process---\n"; pid = fork(); if (pid < 0) { perror("fork error"); exit(1); } else if (pid == 0) { fd1 = open("test.txt", O_RDWR); if (fd1 < 0) { perror("open error"); exit(1); } write(fd1, str, strlen(str)); printf("child wrote over...\n"); } else { fd2 = open("test.txt", O_RDWR); if (fd2 < 0) { perror("open error"); exit(1); } sleep(1); //保证子进程写入数据 int len = read(fd2, buf, sizeof(buf)); write(STDOUT_FILENO, buf, len); wait(NULL); } return 0;}
mmap函数
函数功能:
函数原型:
#include <sys/mman.h>void *mmap(void *adrr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);int munmap(void *addr, size_t length);
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。
#include <stdio.h>#include <unistd.h>//(f)truncate使用#include <sys/types.>//(f)truncate使用#include <sys/mman.h>int main(void){ char *p = NULL;//我们想传一个字符串 int fd = open("mytest.txt", O_CREAT|O_RDWR, 0644); if(fd <0){ perror("open error:"); exit(1); } int ret = ftruncate(fd,4); if(ret == -1) { perror("ftrucate error:"); exit(1); } p = mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);//void*可以和任何指针类型隐式转换,所以不需要强制转换 if(p == MAP_FAILED) { perror("mmap error:"); exit(1); } strcpy(p,"abc");//写数据,操作共享内存结束 int reet = munmap(p,len); if(ret == -1) { perror("munmap error: "); exit(1); } close(fd); return 0;}
使用mmap注意事项
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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:
#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <fcntl.h>#include <sys/mman.h>#include <sys/wait.h>int var = 100;int main(void){ int *p; pid_t pid; int fd; fd = open("temp", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0644); if(fd < 0){ perror("open error"); exit(1); } unlink("temp"); //删除临时文件目录项,使之具备被释放条件. ftruncate(fd, 4); p = (int *)mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); //p = (int *)mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, 0); if(p == MAP_FAILED){ //注意:不是p == NULL perror("mmap error"); exit(1); } close(fd); //映射区建立完毕,即可关闭文件 pid = fork(); //创建子进程 if(pid == 0){ *p = 2000;//将映射区第一个内存的值修改为2000 var = 1000; printf("child, *p = %d, var = %d\n", *p, var); } else { sleep(1); printf("parent, *p = %d, var = %d\n", *p, var); wait(NULL); int ret = munmap(p, 4); //释放映射区 if (ret == -1) { perror("munmap error"); exit(1); } } return 0;}
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。
p = mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANON, -1, 0);
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
#include <stdio.h>#include <sys/stat.h>#include <sys/types.h>#include <fcntl.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>#include <sys/mman.h>#include <string.h>struct STU { int id; char name[20]; char sex;};void sys_err(char *str){ perror(str); exit(1);}int main(int argc, char *argv[]){ int fd; struct STU student = {10, "xiaoming", 'm'}; char *mm; if (argc < 2) { printf("./a.out file_shared\n"); exit(-1); } fd = open(argv[1], O_RDWR | O_CREAT, 0664); ftruncate(fd, sizeof(student)); mm = mmap(NULL, sizeof(student), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); if (mm == MAP_FAILED) sys_err("mmap"); close(fd); while (1) { memcpy(mm, &student, sizeof(student)); student.id++; sleep(1); } munmap(mm, sizeof(student)); return 0;}
mmap_r.c
#include <stdio.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>#include <sys/mman.h>#include <string.h>struct STU { int id; char name[20]; char sex;};void sys_err(char *str){ perror(str); exit(-1);}int main(int argc, char *argv[]){ int fd; struct STU student; struct STU *mm; if (argc < 2) { printf("./a.out file_shared\n"); exit(-1); } fd = open(argv[1], O_RDONLY); if (fd == -1) sys_err("open error"); mm = mmap(NULL, sizeof(student), PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0); if (mm == MAP_FAILED) sys_err("mmap error"); close(fd); while (1) { printf("id=%d\tname=%s\t%c\n", mm->id, mm->name, mm->sex); sleep(2); } munmap(mm, sizeof(student)); return 0;}
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
strace 可执行文件
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。