共享存储映射_mmap
共享存储映射
父子进程有各自独立的3G用户空间，有1G的共享内核空间文件进程间通信
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。
练习：父子进程共享打开的文件。借助文件进行进程间通信。
/*
*父子进程共享打开的文件描述符------使用文件完成进程间通信.
*/
#include
#include
#include
#include
#include
#include
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;
}
父子进程共享一个文件时，也可以实现进程间通信
思考，无血缘关系的进程可以打开同一个文件进行通信吗？为什么？
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。
利用存储器I/O的好处：减少了系统调用的次数。(把内核一块空间和用户空间的文件建立联系，请求数据少了对内核的操作)
通知内核，将一个指定文件映射到存储区域中使用这种方法，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。
在Linux中文件的实际大小会大于实际字节(会自动添加换行)
mmap函数：映射区是由文件创建的，所以必须要有一个文件描述符
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，新版本由Linux内核指定。使用时，直接传递NULL
length： 欲创建映射区的大小（即对应的映射文件的大小）
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)
1、MAP_SHARED: 会将映射区所做的操作反映到物理设备（磁盘）上。
2、MAP_PRIVATE: 映射区所做的修改不会反映到物理设备(文件)。即映射区和文件脱离关系
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)
注：
1、在建立好映射后，若提前关闭文件，不影响映射关系（映射区依然有效）。
2、mmap映射时，越界操作，应然会修改对应文件，因此很危险，注意千万不要越界
3、虽然mmap可以越界操作，但是不可超过文件的大小，不能拓展文件做操作。为什么偏移量必须是4K的整数倍?
在创建映射区的时候，是mmu帮助完成文件和内存的映射，mmu映射的最小单位是4K
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
#include
#include
#include
#include
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;
}
注：gdb调试找段错误： 直接运行run就到了段错误处
mmap注意事项
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
void sys_err(char *str)
{
perror(str);
exit(1);
}
int main(void)
{
char *mem;
int len = 0;
int fd = open("hello244", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0644);
//int fd = open("dict.txt", O_RDWR);
if (fd < 0)
sys_err("open error");
ftruncate(fd, 20);
/*
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, "e", 1); //实质性完成文件拓展
*/
printf("The length of file = %d\n", len);
mem = mmap(NULL, 20, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
if (mem == MAP_FAILED) //出错判断
sys_err("mmap err: ");
close(fd);
strcpy(mem, "xxx");
printf("%s\n", mem);
if (munmap(mem, 4) < 0)
sys_err("munmap");
return 0;
}
思考：
1. 可以在open的时候O_CREAT一个新文件来创建映射区吗? 当然可以，需加O_CREAT参数
注：不可以创建一个0字节的映射区，因此新创建的文件不能用作映射区，必须扩展空间
2. 如果open时O_RDONLY, mmap时PROT参数指定PROT_READ|PROT_WRITE会怎样？
不可以，权限不足；一般创建的时候，映射区的权限不可以大于文件的权限
3. 文件描述符先关闭，对mmap映射有没有影响？
4. 如果文件偏移量为1000会怎样？必须是4K的整数倍
5. 对mem越界操作会怎样？
6. 如果mem++，munmap可否成功？
不能，释放映射区必须是映射区的首地址，必须完全一致
7. mmap什么情况下会调用失败？
8. 如果不检测mmap的返回值，会怎样？
总结：使用mmap时务必注意以下事项：
- 创建映射区的过程中，隐含着一次对映射文件的读操作。（实际创建映射区过程时，会把文件的内容读一遍）
- 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。
- 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。（因为此时映射区有文件对应的描述符），即映射区一旦建立成功，文件就没有意义，可以关闭
- 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。
- munmap传入的地址必须是mmap的返回地址。坚决杜绝将返回的指针++操作。
- 设置文件偏移量时必须为4K(4096)的整数倍
- 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。
- 创建映射区时，必须小于文件的大小。
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；
练习：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
#include
#include
#include
#include
#include
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（当所有使用该文件进程都结束，该文件才释放）.
//unlink删除文件的硬链接，实际上就是删除文件的目录项，使
//得文件在程序结束时文件自动被释放
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. 打开的文件内容 2. mmap建立的映射区(但必须要使用MAP_SHARED)
注：父子进程不共享全局变量
匿名映射：创建映射区使用文件很鸡肋
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。
注;不使用文件，所以文件描述符传-1#include
#include
#include
#include
#include
int main(void)
{
int *p;
pid_t pid;
p = mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANON, -1, 0); //MAP_ANONYMOUS
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;
}
需注意的是，MAP_ANONYMOUS和MAP_ANON这两个宏是Linux操作系统特有的宏，所以在unix系统上不可用。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
/dev/zero :unix/linux下字符设备文件，无具体文件大小,因此文件大小可以任意指定，所以unix使用此文件来创建匿名映射。
1 fd = open("/dev/zero", O_RDWR);
2 p = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MMAP_SHARED, fd, 0);常识拓展：
1969Unix之父：肯汤姆森
C语言之父：丹尼斯里奇
Unix重要的分支：BSD公司的FreeBSD，国内新浪公司使用FreeBSDunix匿名映射区创建法：
#include
#include
#include
#include
#include
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_SHARED, 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;
}
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。
先启动写端，在启动读端【mmp_w.c/mmp_r.c】
mmp_w.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
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)); //操作字符串可以使用memcpy
student.id++;
sleep(1);
}
munmap(mm, sizeof(student));
return 0;
}
mmp_r.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
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;
}
打开一个文件后，内核其实就是做了次mmap
建立映射区后，就把映射区去当成数组
strace ./a.out 可以追踪当前可执行程序创建的进程在执行过程中使用的系统调用有哪些