代码编织梦想

一、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。

二、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

关于mmap函数的使用总结:

  • 1) 第一个参数写成NULL
  • 2) 第二个参数要映射的文件大小 > 0
  • 3) 第三个参数:PROT_READ 、PROT_WRITE
  • 4) 第四个参数:MAP_SHARED 或者 MAP_PRIVATE
  • 5) 第五个参数:打开的文件对应的文件描述符
  • 6) 第六个参数:4k的整数倍,通常为0

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

三、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。

四、共享映射的方式操作文件


    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);
    if (ret == -1)
    {
        perror("munmap error");
        exit(1);
    }

五、共享映射实现父子进程通信

    int fd = open("xxx.txt", O_RDWR);// 打开一个文件
    int len = lseek(fd, 0, SEEK_END);//获取文件大小
​
    // 创建内存映射区
    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
​
    // 创建子进程
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) //子进程
    {
        sleep(1); //演示,保证父进程先执行
​
        // 读数据
        printf("%s\n", (char*)ptr);
    }
    else if (pid > 0) //父进程
    {
        // 写数据
        strcpy((char*)ptr, "i am u father!!");
​
        // 回收子进程资源
        wait(NULL);
    }
​
    // 释放内存映射区
    int ret = munmap(ptr, len);
    if (ret == -1)
    {
        perror("munmap error");
        exit(1);
    }

六、匿名映射实现父子进程通信

父子进程使用存储映射实现进程间通信

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:

// 创建匿名内存映射区
    int len = 4096;
    void *ptr = mmap(NULL, len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANON, -1, 0);
    if (ptr == MAP_FAILED)
    {
        perror("mmap error");
        exit(1);
    }
​
    // 创建子进程
    pid_t pid = fork();
    if (pid > 0) //父进程
    {
        // 写数据
        strcpy((char*)ptr, "hello mike!!");
        // 回收
        wait(NULL);
    }
    else if (pid == 0)//子进程
    {
        sleep(1);
        // 读数据
        printf("%s\n", (char*)ptr);
    }
​
    // 释放内存映射区
    int ret = munmap(ptr, len);
    if (ret == -1)
    {
        perror("munmap error");
        exit(1);
    }

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