Linux-進程間通信（三）: 共享內存

1. 共享內存：

共享內存方式可以在多個進程直接共享數據，因為其直接使用內存，不要多余的拷貝，是速度最快的IPC方式；

共享內存有兩種實現方式，使用mmap和shm方式，如下圖：

(1) mmap方式是將文件與進程地址空間進行映射，對實際物理內存影響小;

 

(2) shm方式是將每個進程的共享內存與實際物理存儲器進行映射，對實際物理內存影響大;

 

由於XSI IPC自身缺點，所以建議使用mmap來實現共享內存；

 

2. mmap相關函數原型：

#include <sys/mman.h>

void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flag, int filedes, off_t off);

ret = 成功返回映射區域開始地址，失敗返回MAP_FAILED

addr-參數用來指定映射區域的起始地址。通常設置為0，表示有系統選擇映射區域的起始位置;

filedes-要映射文件的描述符。在映射文件到地址空間之前，先要打開文件;

len-映射的字節數;

off-要映射字節在文件中的起始偏移量;

prot-對映射存儲區的保護要求，指定為PROT_NONE(不可訪問), PROT_READ(可讀), PROT_WRITE(可寫), PROT_EXEC(可執行)的任意組合或者按位或;

但是對於映射存儲區的保護要求不能超過文件open的權限，比如文件是只讀打開的，則不能指定PROT_WRITE;

flag-MAP_FIXED 返回值必須等於addr，如果未制定此標志，addr非0，則作為一種建議，內核不保證會使用該地址。為了獲得最大的可移植性，建議addr指定為0；

MAP_SHARED 說明了本進程對映射區域進行儲存操作的配置。此標志指定存儲操作修改映射文件，也就是相當於對該文件執行write；

MAP_PRIVATE 本標志說明對映射區存儲操作會創建該映射的一個副本。所以后續操作都會引用該副本，而不是原始文件；

MAP_SAHRED 和 MAP_PRIVATE 必須指定其一，但是不能同時指定；

 

修改現有映射區的權限，與上面mmap中的prot字段相同；

#include <sys/mman.h>

int mprotect(void *addr, size_t len, int prot);

ret = 成功返回0，失敗返回-1

 

如果共享內存中的頁已被修改，則可以調用msync將該頁沖洗到映射的文件中；

如果映射是私有的，那么不修改映射文件；

#include <sys/mman.h>

int msync(void *addr, size_t len, int flags);

ret = 成功返回0 失敗返回-1

flags- MS_ASYNC和MS_SYNC必選其一；

　　　MS_ASYNC-異步sync，無需等待，系統調度；

        MS_SYNC-同步sync，需要等到操作完成；

        MS_INVALIDATE-可選標志，通知操作系統丟棄沒有同步的頁；--一般不使用；

 

進程終止，或者調用munmap，內存映射就被自動解除，關閉文件描述符filedes並不會解除映射；

調用munmap不會是映射內存內容寫到磁盤文件，share類型寫磁盤是內核根據算法自動執行，private則丟棄修改；

#include <sys/mman.h>

int munmap(caddr_t addr, size_t len);

ret-成功返回0 失敗返回-1

 

3.  文件映射到進程位置：

文件映射到進程地址空間中堆和棧直接的一段內存。

 

4. 子進程影響：

fork之后，因為子進程復制父進程的地址空間，而存儲映射是該地址空間的一部分，所以子進程繼承了該存儲映射區域，但是當調用了exec函數組之后的新程序則不繼承該映射區；

 

測試代碼：--測試兩個進程通過mmap映射信息，測試共享時，數據情況，和共享后數據情況；

common.h

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

#define MMAP_FILE "/var/tmp/test_mmap"
#define NAME_LEN 64

typedef struct book {
    int id;
    char name[NAME_LEN];
}book_t;

 

mmap_proc1.c -- 進程1，做映射，映射超過文件長度的區域

#include "common.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd = -1;
    int i = 0;
    book_t *book = NULL;

    if ((fd = open(MMAP_FILE, O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC)) < 0){
        perror("open file error\n");
        return -1;
    }

    if (lseek(fd, sizeof(book_t) * 2 - 1, SEEK_SET) < 0){
        perror("lseek error\n");
        close(fd);
        return -1;
    }

    write(fd, "", 1);

    if ((book = (book_t *)mmap(NULL, sizeof(book_t) * 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0)) == MAP_FAILED){
        perror("mmap error\n");
        return -1;
    }

    close(fd);

    for (i = 0; i < 4; i++){
        char name[16] = { 0 };
        snprintf (name, 15, "book-%d", i);

        (*(book + i)).id = i;
        strncpy((*(book + i)).name, name, NAME_LEN - 1);
    }

    sleep(10);

    munmap(book, sizeof(book_t) * 4);

    return 0;
}

 

mmap_proc2.c -- 進程2，做映射，映射與進程1相同區域

#include "common.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd = -1;
    int i = 0;
    book_t *book = NULL;

    if ((fd = open(MMAP_FILE, O_RDWR | O_CREAT)) < 0){
        perror("open file error\n");
        return -1;
    }

    if ((book = (book_t *)mmap(NULL, sizeof(book_t) * 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0)) == MAP_FAILED){
        perror("mmap error\n");
        return -1;
    }

    close(fd);

    for (i = 0; i < 4; i++){
        printf("id:%d, name:%s\n", (*(book+i)).id, (*(book+i)).name);
    }

    munmap(book, sizeof(book_t) * 4);

    return 0;
}