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。