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Linux 进程间通信 之 内存映射 [Linux高并发服务器开发]
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一、内存映射原理
二、内存映射的操作
1.内存映射相关的系统调用:
2.代码示例:
2.1 有关系的进程 - 父子进程
2.2 独立的没有关系的进程通信
3.使用内存映射实现文件拷贝
三、内存映射的注意事项
一、内存映射原理
内存映射 (Memory-mapped I/O)是 将磁盘文件的数据映射到内存,用户通过修改内存从而修改磁盘文件。 对内存直接操作,因此效率比较高。
根据示意图,将文件的数据映射到虚拟地址空间, 进程的虚拟地址空间最终会对应实际的内存。 会映射到共享库,加载的内存区域。
可以只映射文件中的一部分数据。 修改内存中的数据,操作系统会将内存中的数据 同步到 文件中,从而通过修改内存数据,实现了修改文件中的数据。
另外的进程,可以通过读取文件的数据,读取到数据。 通过这种方式,可以实现进程间通信。实际的效率相对较高,因为是对内存的操作。
二、内存映射的操作
1.内存映射相关的系统调用:
#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
-功能:将一个文件或者设备的数据映射到内存中
-参数:
-void* addr: NULL, 由内核指定
-length:要映射的数据的长度,这个值不能为0。 建议使用文件的长度。
获取文件的长度:stat lseek
如果分配的长度没有达到内存分页的长度,会按照内存分页的长度进行创建。
-prot:对申请的内存映射区的操作权限
同时拥有读写的权限:PROT_READ | PROT_WRITE
PROT_EXEC Pages may be executed.
PROT_READ Pages may be read.
PROT_WRITE Pages may be written.
PROT_NONE Pages may not be accessed.
要操作映射区内存, 必须要有读的权限:
PROT_READ 或 PROT_READ | PROT_WRITE
-flags:
MAP_SHARED: Share this mapping.
映射区的数据会自动和磁盘文件进行同步,进程间通信,必须要设置这个选项。
MAP_PRIVATE: Create a private copy-on-write mapping.
不同步,内存映射区的数据改变了,对原来的文件不会修改,底层会重新创建一个新的文件(copy-on-write)
-fd:需要映射的那个文件的文件描述符
通过open得到,open的是一个磁盘文件
注意:文件的大小不能为0, open指定的权限不能和prot参数有冲突。
prot:PROT_READ open:只读 或 读写
prot:PROT_READ | PROT_WRITE open:读写
-offset:偏移量,一般不用,必须指定的是 4K 的整数倍。 0表示不偏移
- 返回值:
成功,返回映射的地址。On success, mmap() returns a pointer to the mapped area.
失败,On error, the value MAP_FAILED (that is, (void *) -1) is returned.
int munmap(void *addr, size_t length);
- 功能:释放内存映射
- 参数:
-addr:要释放的内存的首地址
-length:要释放的内存的大小,要和mmap函数中的length参数的值一样
-返回值:
成功,返回 0
失败,返回 -1
使用内存映射实现进程间通信
1.有关系的进程(父子进程)
- 还没有子进程的时候:
通过唯一的父进程,先创建内存映射区, 有了内存映射区以后,创建子进程, 父子进程共享创建的内存映射区
2.没有关系的进程间通信:
-准备一个大小不是0的磁盘文件
进程1通过磁盘文件创建内存映射区,得到一个操作这块内存的指针
进程2通过对同一个磁盘文件创建内存映射区,得到一个操作这块内存的指针
使用内存映射区通信
注意:内存映射区通信,是非阻塞的。
2.代码示例:
注意:
如下两个示例的程序,都需要先创建一个 test.txt文件,并且在文件中,随便填充一些字符。
2.1 有关系的进程 - 父子进程
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <wait.h>int main()
{//1.打开一个文件int fd = open("test.txt",O_RDWR);int size = lseek(fd,0,SEEK_END);//2.创建内存映射区void* ptr = mmap(NULL,size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);if(ptr == MAP_FAILED){perror("mmap");exit(0);}//3.创建子进程pid_t pid = fork();if(pid>0){//回收子进程的资源wait(NULL);//父进程char buf[64];strcpy(buf,(char*)ptr);printf("read data:%s\n",buf);}else if(pid == 0){//子进程strcpy((char*)ptr, "my son,dear!");}return 0;
}
执行结果:
2.2 独立的没有关系的进程通信
process1
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <wait.h>int main()
{//1.打开一个文件int fd = open("test.txt",O_RDWR);int size = lseek(fd,0,SEEK_END);//2.创建内存映射区void* ptr = mmap(NULL,size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);if(ptr == MAP_FAILED){perror("mmap");exit(0);}//读数据char buf[64];strcpy(buf,(char*)ptr);printf("read data:%s\n",buf);return 0;
}
process2
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <wait.h>int main()
{//1.打开一个文件int fd = open("test.txt",O_RDWR);int size = lseek(fd,0,SEEK_END);//2.创建内存映射区void* ptr = mmap(NULL,size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);if(ptr == MAP_FAILED){perror("mmap");exit(0);}//写数据strcpy((char*)ptr, "my son well,dear!");return 0;
}
执行结果:
3.使用内存映射实现文件拷贝
思路:
1.对原始的文件进行内存映射
2.创建一个新文件(拓展该文件)
3.把新文件的数据映射到内存中
4.通过内存拷贝将第一个文件的内存数据拷贝到新的文件内存中
5.释放资源
功能:将 englis.txt 中的内容拷贝到 cpy.txt 文件中
代码如下:
#include <stdio.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>int main() {// 1.对原始的文件进行内存映射int fd = open("english.txt", O_RDWR);if(fd == -1) {perror("open");exit(0);}// 获取原始文件的大小int len = lseek(fd, 0, SEEK_END);// 2.创建一个新文件(拓展该文件)int fd1 = open("cpy.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0664);if(fd1 == -1) {perror("open");exit(0);}// 对新创建的文件进行拓展truncate("cpy.txt", len);write(fd1, " ", 1);// 3.分别做内存映射void * ptr = mmap(NULL, len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);void * ptr1 = mmap(NULL, len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd1, 0);if(ptr == MAP_FAILED) {perror("mmap");exit(0);}if(ptr1 == MAP_FAILED) {perror("mmap");exit(0);}// 内存拷贝memcpy(ptr1, ptr, len);// 释放资源munmap(ptr1, len);munmap(ptr, len);close(fd1);close(fd);return 0;
}
执行结果:
实现了 将文件 english.txt 的内容拷贝到了 cpy.txt 中。
三、内存映射的注意事项
1.如果对mmap的返回值(ptr)做++操作(ptr++), munmap是否能够成功?
void* ptr = mmap(...);
ptr++; 可以对其进行++操作
munmap(ptr,len); //错误,地址已经偏移了 ,需要保存最初的地址,才能正确释放内存
2.如果open时O_RDONLY, mmap时prot参数指定PROT_READ | PROT_WRITE会怎样?
会产生错误,返回 MAP_FAILED.
open()函数中的权限建议和prot参数的权限保持一致
3.如果文件偏移量为1000会怎样?
偏移量应该是4*1024的整数倍,返回MAP_FAILED
4.mmap什么情况下会调用失败?
第二个参数:length = 0
第三个参数:prot只指定了写权限,会失败 ; prot PROT_READ|PROT_WRITE 第5个参数fd通过open函数时指定的O_RDONLY|O_WRONLY
5.可以open的时候O_CREAT一个新文件来创建映射区吗?
可以的,但是创建的文件的大小为0的话,不行。
可以对新文件进行扩展: lseek() , truncate()
6.mmap后关闭文件描述符,对mmap映射有没有影响?
int fd = open("xxx",);
mmap(,,,,fd,0);
close(fd);
映射区还存在,创建映射区的fd被关闭,没有任何影响。
7.对ptr越界操作会怎样?
void* ptr = mmap(NULL,100,,,,,);
4K
越界操作,操作的是非法内存,会产生段错误。
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