进程间通信---mmap详解（与system V ipc通信对照）

Posted 2022-04-10 bwbfight

目前，进程间通信主要集中在管道和共享内存上使用，共享内存是总所周知的直接对内存映射操作，速度最快的通信方式，缺点，可能就是数据同步没有提供同步机制

共享存储映射

存储映射I/O 

存储映射I/O (Memory-mapped I/O) 使一个磁盘文件与存储空间中的一个缓冲区相映射。于是当从缓冲区中取数据，就相当于读文件中的相应字节。于此类似，将数据存入缓冲区，则相应的字节就自动写入文件。这样，就可在不使用read和write函数的情况下，使用地址（指针）完成I/O操作。

使用这种方法，首先应通知内核，将一个指定文件映射到存储区域中。这个映射工作可以通过mmap函数来实现。

 

 

mmap函数

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

返回：成功：返回创建的映射区首地址；失败：MAP_FAILED宏

参数：

　　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)

munmap函数

同malloc函数申请内存空间类似的，mmap建立的映射区在使用结束后也应调用类似free的函数来释放。

int munmap(void *addr, size_t length); 成功：0； 失败：-1

 

 

借鉴malloc和free函数原型，尝试装自定义函数smalloc，sfree来完成映射区的建立和释放。思考函数接口该如何设计？

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

void *smalloc(size_t size)

    void *p;

    p = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, 
            MAP_SHARED|MAP_ANON, -1, 0);
    if (p == MAP_FAILED)         
        p = NULL;
    

    return p;


void sfree(void *ptr, size_t size)

    munmap(ptr, size);


int main(void)

    int *p;
    pid_t pid;
    
    p = smalloc(4);

    pid = fork();                //创建子进程
    if (pid == 0) 
        *p = 2000;
        printf("child, *p = %d\\n", *p);
     else 
        sleep(1);
        printf("parent, *p = %d\\n", *p);
    

    sfree(p, 4);

    return 0;

 

 

mmap注意事项

【mmap.c】

 

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

void sys_err(char *str)

    perror(str);
    exit(1);


int main(void)

    char *mem;
    int len = 0;

    int fd = open("hello678", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0644);
    if (fd < 0)
        sys_err("open error");
    len = lseek(fd, 3, SEEK_SET);   //获取文件大小,根据文件大小创建映射区
    write(fd, "\\0", 1);              //实质性完成文件拓展
    len = lseek(fd, 0, SEEK_END);
    
    printf("The length of file = %d\\n", len);

    mem = mmap(NULL, len, PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, 0);
    if (mem == MAP_FAILED)            //出错判断
        sys_err("mmap err: ");
    close(fd);

    strcpy(mem, "aaa");
    printf("%s\\n", mem);

    if (munmap(mem,  len) < 0)
        sys_err("munmap");

    return 0;


//思考：
//1. 如果mem++，munmap可否成功？
//2. 如果open时O_RDONLY, mmap时PROT参数指定PROT_READ|PROT_WRITE会怎样？
//3. 如果文件偏移量为1000会怎样？
//4. 如果不检测mmap的返回值，会怎样？
//5. mmap什么情况下会调用失败？
//6. 对mem越界操作会怎样？
//7. 文件描述符先关闭，对mmap映射有没有影响？
//8. 可以open的时候O_CREAT一个新文件来创建映射区吗?

 

 

 

思考：

1. 如果mem++，munmap可否成功？

2. 如果open时O_RDONLY, mmap时PROT参数指定PROT_READ|PROT_WRITE会怎样？

3. 如果文件偏移量为1000会怎样？

5. mmap什么情况下会调用失败？

6. 对mem越界操作会怎样？

7. 文件描述符先关闭，对mmap映射有没有影响？

4. 如果不检测mmap的返回值，会怎样？

8. 可以open的时候O_CREAT一个新文件来创建映射区吗?

总结：使用mmap时务必注意以下事项：

1. 创建映射区的过程中，隐含着一次对映射文件的读操作。
2. 当MAP_SHARED时，要求：映射区的权限应 <=文件打开的权限(出于对映射区的保护)。而MAP_PRIVATE则无所谓，因为mmap中的权限是对内存的限制。
3. 映射区的释放与文件关闭无关。只要映射建立成功，文件可以立即关闭。
4. 特别注意，当映射文件大小为0时，不能创建映射区。所以：用于映射的文件必须要有实际大小！！ mmap使用时常常会出现总线错误，通常是由于共享文件存储空间大小引起的。
5. munmap传入的地址一定是mmap的返回地址。坚决杜绝指针++操作。
6. 如果文件偏移量必须为4K的整数倍
7. mmap创建映射区出错概率非常高，一定要检查返回值，确保映射区建立成功再进行后续操作。

mmap父子进程通信

父子等有血缘关系的进程之间也可以通过mmap建立的映射区来完成数据通信。但相应的要在创建映射区的时候指定对应的标志位参数flags：

MAP_PRIVATE:  (私有映射)  父子进程各自独占映射区；

MAP_SHARED:  (共享映射)  父子进程共享映射区；

　　父进程创建映射区，然后fork子进程，子进程修改映射区内容，而后，父进程读取映射区内容，查验是否共享。

 

#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;
        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;


  

结论：父子进程共享：1. 打开的文件  2. mmap建立的映射区(但必须要使用MAP_SHARED)

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。

使用MAP_ANONYMOUS (或MAP_ANON)， 如:

int *p = mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

    "4"随意举例，该位置表大小，可依实际需要填写。

    【fork_map_anon_linux.c】

 

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

int main(void)

    int *p;
    pid_t pid;
    
    int fd = open("/dev/zero", O_RDWR);
    //p = mmap(NULL, 400, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANON, -1, 0);
    p = mmap(NULL, 400, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if(p == MAP_FAILED)        //注意:不是p == NULL
        perror("mmap error");
        exit(1);
    
    close(fd);

    pid = fork();                //创建子进程
    if(pid == 0)
        *p = 2000;
        printf("child, *p = %d\\n", *p);
     else 
        sleep(1);
        printf("parent, *p = %d\\n", *p);
    

    munmap(p, 400);                //释放映射区

    return 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, MMAP_SHARED, fd, 0);

    【fork_map_anon.c】

 

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

int main(void)

    int *p;
    pid_t pid;
    
    int fd;
    fd = open("/dev/zero", O_RDWR);

    p = mmap(NULL, 400, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, 0);

    if(p == MAP_FAILED)        //注意:不是p == NULL
        perror("mmap error");
        exit(1);
    

    pid = fork();                //创建子进程
    if(pid == 0)
        *p = 2000;
        printf("child, *p = %d\\n", *p);
     else 
        sleep(1);
        printf("parent, *p = %d\\n", *p);
    

    munmap(p, 4);                //释放映射区

    return 0;

 

结论：

MAP_PRIVATE:在父子进程间通信，映射的区域不能互相访问，或者不能读取父或子写入映射内存地址空间的数据

 

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。

例：

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);
        usleep(10000);
    

    munmap(mm, sizeof(student));

    return 0;

 

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;

 

 

以上总结了mmap的用法，现在和ipc system V的共享内存比较一下

shm图示例：

 

   

 

（1）通过int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);在物理内存创建一个共享内存，返回共享内存的编号。
（2）通过void *shmat(int shmid, constvoid shmaddr,int shmflg);连接成功后把共享内存区对象映射到调用进程的地址空间
（3）通过void *shmdt(constvoid* shmaddr);断开用户级页表到共享内存的那根箭头。
（4）通过int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds* buf);释放物理内存中的那块共享内存。

总结mmap和shm:
1、mmap是在磁盘上建立一个文件，每个进程地址空间中开辟出一块空间进行映射。
而对于shm而言，shm每个进程最终会映射到同一块物理内存。shm保存在物理内存，这样读写的速度要比磁盘要快，但是存储量不是特别大。
2、相对于shm来说，mmap更加简单，调用更加方便，所以这也是大家都喜欢用的原因。
3、另外mmap有一个好处是当机器重启，因为mmap把文件保存在磁盘上，这个文件还保存了操作系统同步的映像，所以mmap不会丢失，但是shmget就会丢失。

 

具体的话请看这篇总结：

https://www.cnblogs.com/stevensfollower/p/4897711.html