Linux系统编程【共享存储映射】

05. 共享存储映射

5.1 概述

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，就可在不适用read和write函数的情况下，使用地址（指针）完成I/O操作。

共享内存可以说是最有用的进程间通信方式，也是最快的IPC形式, 因为进程可以直接读写内存，而不需要任何数据的拷贝。

5.2 存储映射函数

(1) mmap函数

#include <sys/mman.h>

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
功能:
    一个文件或者其它对象映射进内存
参数：
    addr :  指定映射的起始地址, 通常设为NULL, 由系统指定
    length：映射到内存的文件长度
    prot：  映射区的保护方式, 最常用的 :
        a) 读：PROT_READ
        b) 写：PROT_WRITE
        c) 读写：PROT_READ | PROT_WRITE
    flags：  映射区的特性, 可以是
        a) MAP_SHARED : 写入映射区的数据会复制回文件, 且允许其他映射该文件的进程共享。
        b) MAP_PRIVATE : 对映射区的写入操作会产生一个映射区的复制(copy - on - write), 对此区域所做的修改不会写回原文件。
    fd：由open返回的文件描述符, 代表要映射的文件。
    offset：以文件开始处的偏移量, 必须是4k的整数倍, 通常为0, 表示从文件头开始映射
返回值：
    成功：返回创建的映射区首地址
    失败：MAP_FAILED宏

参考代码：

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


int main()
{
    int fd = -1;
    int ret = -1;
    void *add = NULL;

    //1.以读写方式打开一个文件
    fd = open("txt",O_RDWR);
    if(fd == -1){perror("open");return 1;}

    //2.将文件映射到内存中
    add = mmap(NULL,1024,PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
    if(add == MAP_FAILED){perror("mmap");return 1;};
    printf("文件存储映射成功...\n");

    //3.关闭文件
    close(fd);
    
    //4.写文件
    memcpy(add,"ABCDEFG",7);
    
    //5.断开存储映射
    munmap(add,1024);
    return 0;
}

运行结果：

(2) munmap函数

#include <sys/mman.h>

int munmap(void *addr, size_t length);
功能：
    释放内存映射区
参数：
    addr：使用mmap函数创建的映射区的首地址
    length：映射区的大小
返回值：
    成功：0
    失败：-1

5.3 注意事项

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。

5.4 共享映射的方式操作文件

参考示例：

   int fd = open("xxx.txt", O_RDWR); //读写文件
    int len = lseek(fd, 0, SEEK_END);   //获取文件大小

    //一个文件映射到内存，ptr指向此内存
    void * ptr = mmap(NULL, len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (ptr == MAP_FAILED)
    {
        perror("mmap error");
        exit(1);
    }

    close(fd); //关闭文件

    char buf[4096];
    printf("buf = %s\n", (char*)ptr); // 从内存中读数据，等价于从文件中读取内容

    strcpy((char*)ptr, "this is a test");//写内容

    int ret = munmap(ptr, len);//释放内存映射
    if (ret == -1)
    {
        perror("munmap error");
        exit(1);
    }

5.5 共享映射实现父子进程通信

原理图：

参考示例：

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

int main()
{
    int fd = -1;
    int ret = -1;
    void *add = NULL;
    pid_t pid = -1;

    //1.以读写方式打开一个文件
    fd = open("txt1",O_RDWR);
    if(fd == -1){perror("open");return 1;}

    //2.将文件映射到内存中
    add = mmap(NULL,1024,PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
    if(add == MAP_FAILED){perror("mmap");return 1;};
    printf("文件存储映射成功...\n");

    //3.关闭文件
    close(fd);

    //创建子进程
    pid = fork();
    if(pid == -1){perror("fork");return 1;}
    if(pid == 0)
    {
        //子进程
        //4.写文件
        memcpy(add,"ABCDEFG",7);
    }
    else
    {
        //父进程
        wait(NULL);//等待子进程
        printf("add:%s\n",(char *)add);
    }
    
    //5.断开存储映射
    munmap(add,1024);
    return 0;
}

运行结果：

xcc@ubuntu:~/6th$ cat txt1
xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx
xcc@ubuntu:~/6th$ gcc mmap1.c
xcc@ubuntu:~/6th$ ./a.out
文件存储映射成功…
add:ABCDEFGxxxxxxxxxxxxxxx

如果想让不是血缘关系实现进程通信的话，可以直接一个读一个写，代码类似《4.4有名管道读写操作》，把管道部分换成映射即可

5.6 匿名映射实现父子进程通信

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)。

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

• 4"随意举例，该位置表示映射区大小，可依实际需要填写。
• 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。

程序示例：

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

int main()
{
    int fd = -1;
    void *addr = NULL;
    pid_t pid = -1;

    //1.创建匿名映射
    addr = mmap(NULL,1024,PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS,-1,0);
    if(addr == MAP_FAILED){perror("mmap");return 1;};
    printf("创建匿名映射成功...\n");

    //2.创建子进程
    pid = fork();
    if(pid == -1)
    {
        perror("fork");
        munmap(addr,1024);
        return 1;
    }

    //3.父子进程通信
    if(pid == 0)
    {  
        //子进程写
        memcpy(addr,"1234567",7);
    }
    else
    {
        //父进程读
        wait(NULL);//等待子进程
        printf("addr:%s\n",(char *)addr);
    }
    
    //4.断开存储映射
    munmap(addr,1024);
    return 0;
}

运行结果：

xcc@ubuntu:~/7th$ ./a.out
创建匿名映射成功…
addr:1234567

06. 作业

6.1 使用多进程的方式改写聊天程序(有名管道)

单进程聊天代码：

结果：

6.2 思考使用存储映射实现不同进程之间通信

mmap munmap

2）多进程编程

父进程fork三个子进程：

• 一个调用ps命令
• 一个调用自定义应用程序
• 一个调用会出现段错误的程序

父进程回收三个子进程(waitpid)，并且打印三个子进程的退出状态

练习:

创建一个子进程, 子进程执行ls -l /home命令, 父进程等待子进程结束.(15min)