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内存映射

秃头王
Linux多进程开发

发布于：2022年5月17日
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内存映射

内存映射(Memory-mapped I/O)是将磁盘文件的数据映射到内存,用户通过修改内存就能修改磁盘文件

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父子进程间通信

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/*************************************************************************
        > File Name: mmap-parent-child-ipc.c
        > Author: 秃头王
        > Mail: 1658339000@qq.com
        > Created Time: 2022年05月15日 星期日 21时25分03秒
 ************************************************************************/


/*
 *  #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 : 要映射的数据长度, 这个值不能为0,建议使用文件的长度。
 *              获取文件长度 : stat、lseek
 *          - prot : 对申请的内存映
 *              - PROT_EXEC : 可执行的权限
 *              - PROT_READ : 读权限
 *              - PROT_WRITE : 写权限
 *              - PROT_NONE : 没有权限
 *              要操作映射内存,必须要有读的权限
 *              PROT_READ、PROT_READ|PROT_WRITE
 *          - flags :
 *              - MAP_SHARED : 映射区的数据会自动和磁盘文件进行同步,进程间通信,必 需要设置这个选项
 *              - MAP_PRIVATE : 不同步,内存映射器的数据改变了,对原的文件不会修改, 重新创建一个新的文件。(copy on write)
 *          - fd: 需要映射的文件描述符
 *              - 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。
 *                  open 只读/读写 prot : PROT_READ(必须有)
 *                  prot : PROT_READ open:只读/读写 (小于open的权限)
 *                  prot : PROT_READ | PROT_WRITE open: 只能是读写
 *          - offset: 便宜量, 一般不用。必须指定的是4k的正数倍。0表示不偏移
 *      - 返回值: 返回创建的内存的首地址
 *          失败返回MAP_FAILED, (void *) -1
 *  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 : 要释放的内存大小, 要和 mmap 函数中的length参数的值一样
 *
 */

/*
 *  使用内存映射实现进程通信:
 *      1.有关系的进程(父子进程)
 *          - 还有没有子进程的时候
 *              - 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
 *          - 使用内存映射区实现进程通信
 *      注意: 内存映射区通信,是非阻塞的
 */

#include <stdio.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/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); // 获取文件的大小

    // 2.创建文件 mmap(地址、大小、权限和open对应起来、同步、文件描述符、偏移量)
    void *ptr = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if(ptr == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        exit(0);
    }

    // 创建子进程
    pid_t pid = fork();
    if(pid > 0) {
        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, "nihao a, son !!!");
    }


    // 关闭内存映射区
    munmap(ptr, size);
    return 0;
}

内存映射的注意事项

  • 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

​ 但是 munmap(ptr, len) // 错误，要保存地址

  • 如果open时O_RDONLY，mmap时prot参数指定PROT_READ | PROT_WRITE会怎样?

​ 错误,返回一个宏 MAP_FAILED

​ open() 函数中的权限建议和prot参数的权限保持一致

  • 如果文件偏移量为1000会怎样?

    偏移量是4k的整数倍，返回 MAP_FAILED

  • mmap什么情况下会调用失败?

​ - 第二个参数: length = 0 （映射数据长度） 不能再内存中映射为 0

​ - 第三个参数： prot

​ 只指定了写权限

​ prot PROT_READ | PROT_WRITE

​ 第5个参数(文件描述符) fd 通过open函数时指定的 O_RDONLY 或者 O_WRONLY

  • 可以open的时候O_CREAT一个新文件来创建映射区吗?

​ 可以的，但文件的大小如果为0的话，肯定不行

​ 可以对新的文件进行扩展

​ lseek()

​ truncate()

  • 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); // 关闭不会产生问题

    映射区还存在，创建映射区的fd被关闭,没有任何影响

  • 对ptr越界操作会怎样?

​ void * ptr = mmap(null, 100, …)

​ 4k

​ 越界操作的是非法的内存 -> 段错误

使用内存映射实现文件拷贝

需要先创建一个test.txt

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        > File Name: copy.c
        > Author: 秃头王
        > Mail: 1658339000@qq.com
        > Created Time: 2022年05月18日 星期三 10时47分03秒
 ************************************************************************/

/*
 *  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要内存中
 *      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
 *
 */

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

// 使用内存映射实现文件拷贝
int main() {

    // 对原始的文件进行内存映射
    int fd = open("test.txt", O_RDWR);
    if(fd == -1) {
        perror("open");
        exit(-1);
    }

    // 获取原始文件大小
    int len = lseek(fd, 0, SEEK_END);

    // 创建一个新文件
    int fd1 = open("cpy.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0664);

    // 对新创建文件进程拓展
    truncate("cpy.txt", len);
    write(fd1, " ", 1);

    // 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(-1);
    }

    if(ptr1 == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        exit(-1);
    }

    // 内存拷贝
    memcpy(ptr1, ptr, len);

    // 释放资源
    munmap(ptr, len);
    munmap(ptr1, len);

    close(fd1);
    close(fd);

    return 0;
}

匿名映射

只能做父子进程中的通信

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/*************************************************************************
        > File Name: mmap-anon.c
        > Author: 秃头王
        > Mail: 1658339000@qq.com
        > Created Time: 2022年05月18日 星期三 13时10分14秒
 ************************************************************************/

/*
 *  匿名映射: 不需要文件实体进程一个内存映射
 */

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

int main() {

    // 创建匿名映射区
    int len = 4069;
    void *ptr = mmap(NULL, len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
    if(ptr == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        exit(-1);
    }

    // 父子进程间通信
    pid_t pid = fork();
    if(pid > 0) {
        // 父
        strcpy((char *)ptr, "hello");
        wait(NULL);
    } else if(pid == 0) {
        // 子
        sleep(1);
        printf("%s\n", (char *)ptr);
    }

    int ret = munmap(ptr, len);
    if(ret == -1) {
        perror("munmap");
        exit(-1);
    }

    return 0;
}

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更新于：2022年5月29日

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