進程間通信---mmap詳解（與system V ipc通信對照）

本文轉載自查看原文 2019-07-13 18:18 544 C/C++/ linux

目前，進程間通信主要集中在管道和共享內存上使用，共享內存是總所周知的直接對內存映射操作，速度最快的通信方式，缺點，可能就是數據同步沒有提供同步機制

共享存儲映射

存儲映射I/O

存儲映射I/O (Memory-mapped I/O) 使一個磁盤文件與存儲空間中的一個緩沖區相映射。於是當從緩沖區中取數據，就相當於讀文件中的相應字節。於此類似，將數據存入緩沖區，則相應的字節就自動寫入文件。這樣，就可在不使用read和write函數的情況下，使用地址（指針）完成I/O操作。

使用這種方法，首先應通知內核，將一個指定文件映射到存儲區域中。這個映射工作可以通過mmap函數來實現。

mmap函數

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

返回：成功：返回創建的映射區首地址；失敗：MAP_FAILED宏

參數：

　　addr: 建立映射區的首地址，由Linux內核指定。使用時，直接傳遞NULL

　　length：欲創建映射區的大小

　　prot：映射區權限PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_READ|PROT_WRITE

　　flags：標志位參數(常用於設定更新物理區域、設置共享、創建匿名映射區)

　　　　MAP_SHARED: 會將映射區所做的操作反映到物理設備（磁盤）上。

　　　　MAP_PRIVATE: 映射區所做的修改不會反映到物理設備。

　　　　　fd：用來建立映射區的文件描述符

　　　　　offset：映射文件的偏移(4k的整數倍)

munmap函數

同malloc函數申請內存空間類似的，mmap建立的映射區在使用結束后也應調用類似free的函數來釋放。

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

借鑒malloc和free函數原型，嘗試裝自定義函數smalloc，sfree來完成映射區的建立和釋放。思考函數接口該如何設計？

#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();                //創建子進程
    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注意事項

【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);   //獲取文件大小,根據文件大小創建映射區
    write(fd, "\0", 1);              //實質性完成文件拓展
    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)            //出錯判斷
        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時O_RDONLY, mmap時PROT參數指定PROT_READ|PROT_WRITE會怎樣？
//3. 如果文件偏移量為1000會怎樣？
//4. 如果不檢測mmap的返回值，會怎樣？
//5. mmap什么情況下會調用失敗？
//6. 對mem越界操作會怎樣？
//7. 文件描述符先關閉，對mmap映射有沒有影響？
//8. 可以open的時候O_CREAT一個新文件來創建映射區嗎?

思考：

1. 如果mem++，munmap可否成功？

2. 如果open時O_RDONLY, mmap時PROT參數指定PROT_READ|PROT_WRITE會怎樣？

3. 如果文件偏移量為1000會怎樣？

5. mmap什么情況下會調用失敗？

6. 對mem越界操作會怎樣？

7. 文件描述符先關閉，對mmap映射有沒有影響？

4. 如果不檢測mmap的返回值，會怎樣？

8. 可以open的時候O_CREAT一個新文件來創建映射區嗎?

總結：使用mmap時務必注意以下事項：

創建映射區的過程中，隱含着一次對映射文件的讀操作。
當MAP_SHARED時，要求：映射區的權限應 <=文件打開的權限(出於對映射區的保護)。而MAP_PRIVATE則無所謂，因為mmap中的權限是對內存的限制。
映射區的釋放與文件關閉無關。只要映射建立成功，文件可以立即關閉。
特別注意，當映射文件大小為0時，不能創建映射區。所以：用於映射的文件必須要有實際大小！！ mmap使用時常常會出現總線錯誤，通常是由於共享文件存儲空間大小引起的。
munmap傳入的地址一定是mmap的返回地址。堅決杜絕指針++操作。
如果文件偏移量必須為4K的整數倍
mmap創建映射區出錯概率非常高，一定要檢查返回值，確保映射區建立成功再進行后續操作。

mmap父子進程通信

父子等有血緣關系的進程之間也可以通過mmap建立的映射區來完成數據通信。但相應的要在創建映射區的時候指定對應的標志位參數flags：

MAP_PRIVATE: (私有映射) 父子進程各自獨占映射區；

MAP_SHARED: (共享映射) 父子進程共享映射區；

　　父進程創建映射區，然后fork子進程，子進程修改映射區內容，而后，父進程讀取映射區內容，查驗是否共享。

#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");                //刪除臨時文件目錄項,使之具備被釋放條件.
    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);                    //映射區建立完畢,即可關閉文件

    pid = fork();                //創建子進程
    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);                //釋放映射區
        if (ret == -1) {
            perror("munmap error");
            exit(1);
        }
    }

    return 0;
}

結論：父子進程共享：1. 打開的文件 2. mmap建立的映射區(但必須要使用MAP_SHARED)

匿名映射

通過使用我們發現，使用映射區來完成文件讀寫操作十分方便，父子進程間通信也較容易。但缺陷是，每次創建映射區一定要依賴一個文件才能實現。通常為了建立映射區要open一個temp文件，創建好了再unlink、close掉，比較麻煩。可以直接使用匿名映射來代替。其實Linux系統給我們提供了創建匿名映射區的方法，無需依賴一個文件即可創建映射區。同樣需要借助標志位參數flags來指定。

使用MAP_ANONYMOUS (或MAP_ANON)，如:

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

"4"隨意舉例，該位置表大小，可依實際需要填寫。

【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();                //創建子進程
    if(pid == 0){
        *p = 2000;
        printf("child, *p = %d\n", *p);
    } else {
        sleep(1);
        printf("parent, *p = %d\n", *p);
    }

    munmap(p, 400);                //釋放映射區

    return 0;
}

需注意的是，MAP_ANONYMOUS和MAP_ANON這兩個宏是Linux操作系統特有的宏。在類Unix系統中如無該宏定義，可使用如下兩步來完成匿名映射區的建立。

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();                //創建子進程
    if(pid == 0){
        *p = 2000;
        printf("child, *p = %d\n", *p);
    } else {
        sleep(1);
        printf("parent, *p = %d\n", *p);
    }

    munmap(p, 4);                //釋放映射區

    return 0;
}

結論：

MAP_PRIVATE:在父子進程間通信，映射的區域不能互相訪問，或者不能讀取父或子寫入映射內存地址空間的數據

mmap無血緣關系進程間通信

實質上mmap是內核借助文件幫我們創建了一個映射區，多個進程之間利用該映射區完成數據傳遞。由於內核空間多進程共享，因此無血緣關系的進程間也可以使用mmap來完成通信。只要設置相應的標志位參數flags即可。若想實現共享，當然應該使用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;
}

以上總結了mmap的用法，現在和ipc system V的共享內存比較一下

shm圖示例：

（1）通過int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);在物理內存創建一個共享內存，返回共享內存的編號。
（2）通過void *shmat(int shmid, constvoid shmaddr,int shmflg);連接成功后把共享內存區對象映射到調用進程的地址空間
（3）通過void *shmdt(constvoid* shmaddr);斷開用戶級頁表到共享內存的那根箭頭。
（4）通過int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds* buf);釋放物理內存中的那塊共享內存。

總結mmap和shm:
1、mmap是在磁盤上建立一個文件，每個進程地址空間中開辟出一塊空間進行映射。
而對於shm而言，shm每個進程最終會映射到同一塊物理內存。shm保存在物理內存，這樣讀寫的速度要比磁盤要快，但是存儲量不是特別大。
2、相對於shm來說，mmap更加簡單，調用更加方便，所以這也是大家都喜歡用的原因。
3、另外mmap有一個好處是當機器重啟，因為mmap把文件保存在磁盤上，這個文件還保存了操作系統同步的映像，所以mmap不會丟失，但是shmget就會丟失。

具體的話請看這篇總結：

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

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