lv5 嵌入式开发-8 内存映射

目录

1 内存映射基本使用

1.1 内存映射概念

1.2 内存映射的使用

2 共享内存(古老的 System V IPC)

2.1 基本概念

2.2 共享内存使用步骤

2.3 共享内存使用


掌握:内存映射概念、内存映射使用、内存映射注意事项、了解SYSTEM V 共享内存概念 共享内存使用步骤

1 内存映射基本使用

1.1 内存映射概念

共享内存可以通过mmap()映射普通文件, 使一个磁盘文件与内存中的一个缓冲区相映射,进程可以像访问普通内存一样对文件进行访问,不必再调用read,write。

mmap的优点

实现了用户空间和内核空间的高效交互方式

进程A与B通过共享内存,可以实现不通过磁盘,而通过内存访问,速度大大增加。

lv5 嵌入式开发-8 内存映射_第1张图片

lv5 嵌入式开发-8 内存映射_第2张图片

 

1.2 内存映射的使用

lv5 嵌入式开发-8 内存映射_第3张图片

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

功能:创建共享内存映射

函数返回值:成功返回创建的映射区首地址,失败返回MAP_FAILED( ((void *) -1) ),设置errno值

参数说明:

1 addr:指定要映射的内存地址,一般设置为 NULL 让操作系统自动选择合适的内存地址。

2 length:必须>0。映射地址空间的字节数,它从被映射文件开头 offset 个字节开始算起。

3 prot:指定共享内存的访问权限。可取如下几个值的可选:PROT_READ(可读), PROT_WRITE(可写), PROT_EXEC(可执行), PROT_NONE(不可访问)

4 flags:由以下几个常值指定:MAP_SHARED(共享的) MAP_PRIVATE(私有的), MAP_FIXED(表示必须使用 start 参数作为开始地址,如果失败不进行修正),其中,MAP_SHARED , MAP_PRIVATE必选其一,而 MAP_FIXED 则不推荐使用。MAP_ANONYMOUS(匿名映射,用于血缘关系进程间通信)

5 fd:表示要映射的文件句柄。如果匿名映射写-1。

6 offset:表示映射文件的偏移量,一般设置为 0 表示从文件头部开始映射

示例:写文件

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#include 
#include 
#include 


int main(){
    
    void *addr;
    int fd;
    fd =open("test",O_RDWR);  //如果只读,但是共享内存是读写,那么会报错
    if(fd<0){
        perror("open");
        return 0;
    }
    int len = lseek(fd,0,SEEK_END);    //取文件大小
    addr = mmap(NULL,2048, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if(addr == MAP_FAILED){
        perror("mmap");
        return 0;
    }
    close(fd);
    int i=0;
    while(i<2048){
        memcpy((addr+i),"a",1);
        i++;
        sleep(1);
    }    
    printf("read=%s\n",(char*)(addr));

}

示例:读文件

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#include 
#include 
#include 


int main(){
    
    void *addr;
    int fd;
    fd =open("test",O_RDWR);
    if(fd<0){
        perror("open");
        return 0;
    }
    int len = lseek(fd,0,SEEK_END);    
    addr = mmap(NULL,2048, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if(addr == MAP_FAILED){
        perror("mmap");
        return 0;
    }
    close(fd);
//    memcpy((addr),"99999999999999",15);
    while(1){
        printf("read=%s\n",(char*)(addr));
        sleep(1);
    }


}

同时运行写、读程序,实现进程间通信 

lv5 嵌入式开发-8 内存映射_第4张图片 

内存映射注意事项(重点)

  • 创建映射区的过程中,隐含着一次对映射文件的读操作,将文件内容读取到映射区。(如上示例printf)
  • 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),如果不满足报非法参数(Invalid argument)错误
  • 当MAP_PRIVATE时候,mmap中的权限是对内存的限制,只需要文件有读权限即可,操作只在内存有效,不会写到物理磁盘,且不能在进程间共享。(可读内存,不可写入磁盘)
  • 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。(示例中close关闭文件,可读可写)
  • 用于映射的文件大小必须>0,当映射文件大小为0时,指定非0大小创建映射区,访问映射地址会报总线错误,指定0大小创建映射区,报非法参数错误(Invalid argument)(打几个空格,能分配几个空间)。
  • 文件偏移量必须为0或者4K的整数倍(不是会报非法参数Invalid argument错误,1页大小正好是4K).
  • 映射大小可以大于文件大小,但只能访问文件page的内存地址,否则报总线错误 ,超出映射的内存大小报段错误。(假如文件大小4999,实际分配了8191字节大小刚好两页,不能超;假如文件大小37字节,申请了5k,但也实际只能访问4k,总之一定要在文件大小的合理页范围)。
  • 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。

lv5 嵌入式开发-8 内存映射_第5张图片

lv5 嵌入式开发-8 内存映射_第6张图片 

释放内存映射

munmap函数

int munmap(void *addr, size_t length);

返回值:成功返回0,失败返回-1,并设置errno值。

函数参数:

addr:调用mmap函数成功返回的映射区首地址

length:映射区大小(即:mmap函数的第二个参数)

示例:匿名映射 

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#include 
#include 
#include 
#include 

int main(){

    void *addr;
    
    //参数MAP_ANONYMOUS -1 
    addr = mmap(NULL,2048, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
    if(addr == MAP_FAILED){
        perror("mmap");
        return 0;
    }
    pid_t pid;
    pid = fork();

    if(pid<0){
        perror("fork");
        return 0;
    }
    else if(pid>0){
        memcpy(addr,"1234567890",10);
        //sleep(10);//增加一个时间差的作用,避免同时,如果加了wait回收子进程,是阻塞函数可以不需要sleep
        wait(NULL); //回收子进程
    }else {
        sleep(1);
        printf("read father val=%s\n",(char *)addr);

        

    }
    
    munmap(addr,2048); //释放

}

2 共享内存(古老的 System V IPC)

2.1 基本概念

IPC 对象包含: 共享内存、消息队列(过时)和信号灯集(过时)

每个IPC对象有唯一的ID 用Key关联

IPC对象创建后一直存在,直到被显式地删除

ipcs / ipcrm

共享内存

  • 共享内存是一种最为高效的进程间通信方式,进程可以直接读写内存,而不需要任何数据的拷贝
  • 共享内存在内核空间创建,可被进程映射到用户空间访问,使用灵活
  • 由于多个进程可同时访问共享内存,因此需要同步和互斥机制配合使用

2.2 共享内存使用步骤

生成key

创建/打开共享内存 映射共享内存,即把指定的共享内存映射到进程的地址空间用于访问

读写共享内存

撤销共享内存映射

删除共享内存对象

2.3 共享内存使用

System V IPC - key

lv5 嵌入式开发-8 内存映射_第7张图片

System V IPC – ftok (非必须,通过两个参数拼接可以实现唯一)

#include  
#include 
key_t  ftok(const char *path,  int proj_id);
  • 成功时返回合法的key值,失败时返回EOF  
  • path  存在且可访问的文件的路径  (文件的节点号)
  • proj_id  用于生成key的数字,范围1-255。

共享内存创建 – shmget

#include 
#include 
int shmget(key_t key, int size, int shmflg);
  • 成功时返回共享内存的id,失败时返回EOF  
  • key  和共享内存关联的key,IPC_PRIVATE 或 ftok生成  
  • shmflg 共享内存标志位  IPC_CREAT|0666

共享内存映射 – shmat

 #include 
 #include 
 void  *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
  • 成功时返回映射后的地址,失败时返回(void *)-1  
  • shmid   要映射的共享内存id   shmaddr  
  • 映射后的地址, NULL表示由系统自动映射  
  • shmflg   标志位  0表示可读写;SHM_RDONLY表示只读

示例

通过指针访问共享内存,指针类型取决于共享内存中存放的数据类型     例如:在共享内存中存放键盘输入的字符串

共享内存撤销映射 – shmdt

#include 
#include 
int  shmdt(void *shmaddr);
  • 成功时返回0,失败时返回EOF  
  • 不使用共享内存时应撤销映射  
  • 进程结束时自动撤销

共享内存控制 – shmctl

#include 
#include 
int  shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
  • 成功时返回0,失败时返回EOF  
  • shmid   要操作的共享内存的id  
  • cmd   要执行的操作  IPC_STAT  IPC_SET  IPC_RMID  
  • buf   保存或设置共享内存属性的地址

共享内存  -  注意事项

每块共享内存大小有限制

查看共享内存命令

  ipcs  -l
  cat  /proc/sys/kernel/shmmax

 示例

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(){
    key_t key;
    int shmid;
    char *buf;
    //1.创建key
    key = ftok("keytest",100);
    if(key<0){
        perror("ftok");
        return 0;
    }
    printf("key=%x\n",key);
    //2.创建共享内存
    shmid = shmget(key,512,IPC_CREAT|0666);

    if(shmid<0){
        perror("shmget");
        return 0;
    }
    
    printf("shmid=%d\n",shmid);
    
    //3.映射共享内存
    buf = shmat(shmid,NULL,0);
    if(buf<0){
        perror("shmat");
        return 0;
    }    
    //拷贝
    strcpy(buf,"hello world");
    
}

示例2 写共享内存 

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(){
    key_t key;
    int shmid;
    char *buf;
    key = ftok("keytest",100);
    if(key<0){
        perror("ftok");
        return 0;
    }
    printf("key=%x\n",key);

    shmid = shmget(key,512,IPC_CREAT|0666);

    if(shmid<0){
        perror("shmget");
        return 0;
    }
    
    printf("shmid=%d\n",shmid);
    
    buf = shmat(shmid,NULL,0);
    if(buf<0){
        perror("shmat");
        return 0;
    }    
    strcpy(buf,"hello world");
    
}

示例3 读共享内存 

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(){
    key_t key;
    int shmid;
    char *buf;
    key = ftok("keytest",100);
    if(key<0){
        perror("ftok");
        return 0;
    }
    printf("key=%x\n",key);

    shmid = shmget(key,512,0666);//不需要CREATE

    if(shmid<0){
        perror("shmget");
        return 0;
    }    
    printf("shmid=%d\n",shmid);
   
    buf = shmat(shmid,NULL,0);
    if(buf<0){
        perror("shmat");
        return 0;
    }    
//    strcpy(buf,"hello world");
    printf("share mem=%s\n",buf);
    while(1){
        sleep(1);
    }    
    //4.共享内存撤销映射
    shmdt(buf);
    //5.共享内存删除,防止内存泄漏
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);

//    printf("detach mem=%s\n",buf);

}

lv5 嵌入式开发-8 内存映射_第8张图片 删除后lv5 嵌入式开发-8 内存映射_第9张图片

未删除 启动两个的状态值为2,没法撤销了,使用时候需要注意

lv5 嵌入式开发-8 内存映射_第10张图片

lv5 嵌入式开发-8 内存映射_第11张图片

共享内存删除的时间点  

        添加删除标记  

        nattach 变成0时真正删除

3 共享内存与管道区别

共享内存和管道是进程间通信的两种机制,它们有以下区别:

  1. 数据结构:共享内存是一块被多个进程共享的内存区域,进程可以直接读写这块内存;而管道是通过内核中的缓冲区来传递数据。

  2. 通信方式:共享内存提供了一种高效的内存共享方式,进程可以直接在共享内存中读写数据,因此速度较快;而管道是一种半双工的通信方式,数据只能单向流动,需要两个管道才能实现双向通信。

  3. 同步机制:在使用共享内存进行通信时,进程需要使用一些同步机制(如信号量、互斥锁等)来确保多个进程之间对共享内存的访问不会产生冲突;而在管道中,由于数据流是单向的,多个进程之间通常不会发生冲突。

  4. 编程复杂性:共享内存在编程上相对较为复杂,需要注意进程间的同步与互斥;而管道在编程上较为简单,但由于数据流是单向的,双向通信需要使用两个管道。

综上所述,共享内存适用于需要高效共享大量数据的场景,但需要考虑同步与互斥问题;而管道适用于简单的进程间通信,但数据流是单向的。选择合适的通信机制需要根据具体的应用场景和需求来决定。

4 练习

实现两个进程使用内存映射通信程序

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main(int argc,char *argv[])
{
	pid_t pid;
	void *addr;
	int len;

	addr = mmap(NULL, 2048, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
	if(addr == MAP_FAILED)
	{
		perror("mmap");
		return 0;
	}

	pid = fork();
	if(pid < 0)
	{
		perror("fork");
		return 0;
	}
	else if( pid > 0)
	{
		printf("This is father process\n");
		memcpy(addr, "father write", 12);
		wait(NULL);

	}
	else //( pid == 0)
	{
		printf("This is child process\n");
		sleep(1);
		printf("child recv:%s\n",(char *)addr);
	}

	munmap(addr,2048);

	return 0;
}

//运行结果
linux@linux:~/Desktop$ ./mmap_test 
This is father process
This is child process
child recv:father write

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