linux 进程通信之 mmap

时间:2022-09-05 13:59:31

一,管道PIPE

二,FIFO通信

三,mmap通信

创建内存映射区。
linux 进程通信之 mmap

#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset);
int munmap(void *addr, size_t length);

函数mmap:打开一个文件,指定一个文件的区域,作为一个区域,映射到内存中,以后就直接操作那个内存,就能够实现进程间的通信。因为是内存操作,所以速度最快。

  • addr:固定NULL
  • length:拿出文件中的多长的一段,映射到内存。
  • offset:从文件内容中的哪个位置开始拿。
  • prot
    • 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
  • flags
    • MAP_SHARED:对内存里的值进行修改,会反映到文件,也就是文件也被修改。
    • MAP_PRIVATE:对内存里的值进行修改,不会反映到文件,文件不会被修改。
  • offset:起始位置
  • 返回值
    • 成功:可用的内存的首地址
    • 失败:MAP_FAILED (that is, (void *) -1)

释放内存映射区。

#include <sys/mman.h>
int munmap(void *addr, size_t length);
  • addr:mmap的返回值
  • length:mmap创建的长度
  • 返回值:成功0;失败-1.

例子:

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

int main(){
  int fd = open("mem", O_RDWR);
  //char* buf = mmap(NULL, 8, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
  char* buf = mmap(NULL, 8, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, 0);
  printf("%s\n", buf);
  strcpy(buf, "FFFFF");
  //释放映射区
  munmap(buf, 8);
  close(fd);
}

mmap的七个问题:

  • 如果更改上面例子里变量buf的地址,释放的时候munmap,还能成功吗?

    不能成功。错误信息:【Invalid argument】

  • 对映射区的操作,越界了会怎么样。

    • open文件size > 要写入的size > mmap参数的length:能够全部写入文件。
    • open文件size < 要写入的size > mmap参数的length:不能全部写入文件,能够写入的size是open文件的size
  • 偏移量随便填个数字会怎么样。

    mmap函数出错,错误信息:【Invalid argument】

    offset必须是4K的整数倍,【0,4*1024。。。】

    用【stat】命令查看文件,发现文件的size实际小于4096,但是【IO Block: 4096】

      File: pi2.c
      Size: 442           Blocks: 8          IO Block: 4096   regular file
    Device: 801h/2049d    Inode: 424247      Links: 1
    Access: (0664/-rw-rw-r--)  Uid: ( 1000/      ys)   Gid: ( 1000/      ys)
    Access: 2019-05-02 12:54:13.812282158 +0800
    Modify: 2019-04-29 13:49:42.489004001 +0800
    Change: 2019-04-29 13:49:42.489004001 +0800
  • 如果文件描述符先关闭,对mmap映射有没有影响。

    没有影响。

  • open的时候,可以用新创建一个文件的方式,来创建映射区吗?

    错误:Bus error (core dumped)。

    错误理由是:创建的文件的size为0,所以出上面的错误。新创建一个文件后,马上把文件大小扩展一下就不会发生错误了。

    int fd = open("mem", O_RDWR|O_CREAT, 0666);
    ftruncate(fd, 8);//把新创建的文件mem的大小扩展为8.
  • open文件时,选择O_WRONLY,可以吗

    mmap函数出错,错误:【Permission denied】。

    因为要把文件的内容读到内存,所以隐含一次读取操作,所以没有读的权限的话,就出这个错误。

  • 当选择MAP_SHARED的时候,open文件选择O_RDONLY,prot可以选择【PROT_READ|PROT_WRITE】吗

    mmap函数出错,错误:【Permission denied】。

    MAP_SHARED的时候会去写文件,但是open的时候只有读权限,所以权限不够。

用mmap实现父子进程间通信的例子:

注意:参数flags必须是MAP_SHARED,因为2个进程间通信,需要互相读写,所以必须是MAP_SHARED

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

int main(){
  int fd = open("mem", O_RDWR);
  int* mem = mmap(NULL, 4, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
  if(mem == MAP_FAILED){
    perror("mmap");
    return -1;
  }
  pid_t pid = fork();

  if(pid == 0){
    *mem = 100;
    printf("child:mem=%d\n", *mem);
    sleep(3);
    printf("child:mem=%d\n", *mem);
  }
  else if(pid > 0){
    sleep(1);
    printf("parent:mem=%d\n", *mem);
    *mem = 200;
    printf("parent:mem=%d\n", *mem);
    wait(NULL);
  }

  munmap(mem, 4);
  close(fd);
}

执行结果:

child:mem=100
parent:mem=100
parent:mem=200
child:mem=200

不知道读者同学们发现了没有,用mmap有个非常鸡肋的地方,就是必须要使用一个文件,其实这个文件对程序没有什么作业。所以linux给我们提供了一个方法,叫做【匿名映射】。

匿名映射:在调用mmap函数时候,在flags参数那里,设置【MAP_ANON】,并在fd参数那里设置【-1】。

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

有个问题,在有些unix系统里是没有【MAP_ANON】【MAP_ANONYMOUS】这2个宏的,这2个宏的作用是一样的,其中一个是简写。那怎么办呢?

使用下面2个文件去映射,因为要用文件,所以必须还得有open的调用,但好处是不用事先做出一个大小合适的文件了。

  • /dev/zero:可以随意映射,size无限大,诨名叫【聚宝盆】
  • /dev/null:可以随意映射,size无限大,但映射完后,文件里不会存有任何内容,所以也被叫成【无底洞】,一般错误日志太多,而且不想保留的时候,会重定向到这个文件。

匿名映射的弱点:不能实现无学员关系进程间的通信。

用mmap实现无血缘关系的进程间通信的例子:

写入端:

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

typedef struct _student{
  int id;
  char name[20];
}Student;

int main(int argc, char* argv[]){

  int fd = open("aaa", O_RDWR|O_TRUNC|O_CREAT, 0666);
  int length = sizeof(Student);
  ftruncate(fd, length);
  Student* std = mmap(NULL, length, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
  
  if(std == MAP_FAILED){
    perror("mmap");
    return -1;
  }

  int num = 0;
  while(1){
    std->id = num;
    sprintf(std->name, "xiaoming-%03d", num++);
    sleep(1);
  }

  munmap(std, length);
  close(fd);
}

读入端:

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

typedef struct _student{
  int id;
  char name[20];
}Student;

int main(int argc, char* argv[]){

  int fd = open("aaa", O_RDWR);
  int length = sizeof(Student);
  Student* std = mmap(NULL, length, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);


  if(std == MAP_FAILED){
    perror("mmap");
    return -1;
  }
  
  while(1){
    printf("id:%03d, name:%s\n", std->id, std->name);
    sleep(1);
  }
  

  munmap(std, length);
  close(fd);
}

利用mmap实现用多个进程拷贝一个文件的例子

核心思想:把要拷贝的文件和目标文件都映射成内存映射区,然后在各自的子进程里做拷贝,拷贝时,注意起点和大小。

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

//argv[1]:进程的数量
//argv[2]:要拷贝的文件
int main(int argc, char* argv[]){
  if(argc < 3){
    printf("bad argv,need 3 arg\n");
    return -1;
  }

  //用stat函数取得文件的大小
  struct stat sbuf;
  int ret = stat(argv[2], &sbuf);
  if(ret < 0){
    perror("stat");
    return -1;
  }

  //文件的大小
  off_t sz = sbuf.st_size;

  //余数
  off_t yu = sz % atoi(argv[1]);  
  //每个进程拷贝的大小
  off_t proSz = (sz - yu) / atoi(argv[1]);

  //open src file
  int srcfd = open(argv[2], O_RDONLY);

  //create target file
  char wk[20] = {0};
  sprintf(wk, "%s.copy", argv[2]);
  int decfd = open(wk,O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0766);
  //创建和src文件同等大小的目标文件
  ret = ftruncate(decfd, sz);
  if(ret < 0){
    perror("ftruncate");
    return -1;
  }

  //打开要被拷贝文件的内存映射区
  void* src = mmap(NULL, sz, PROT_READ, MAP_SHARED, srcfd, 0);
  if(src == MAP_FAILED){
    perror("mmap src:");
    return -1;
  }
  
  //打开要目标文件的内存映射区
  void* dst = mmap(NULL, sz, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, decfd, 0);
  if(dst == MAP_FAILED){
    perror("mmap dst:");
    return -1;
  }
  
  int i;
  int pCnt = atoi(argv[1]);
  
  //创建子进程,都是这些子进程都是本程序的子进程
  for(i = 0; i < pCnt; ++i){
    //in child process
    if(fork() == 0)
      break;
  }

  //子进程的处理
  if(i < pCnt){
    //last time
    if(i == pCnt - 1){
      memcpy(dst+i*proSz, src+i*proSz, proSz+yu);
    }
    else{
      memcpy(dst+i*proSz, src+i*proSz, proSz);
    }
  }
  //父进程的处理
  else{
    for(int i = 0; i < pCnt; ++i){
      wait(NULL);
    }
    //printf("parent pid=%d\n", getpid());
    if(munmap(src, sz) == -1){
      perror("munmap src");
    }
    if(munmap(dst, sz) == -1){
      perror("munmap dsc");
    }
    close(srcfd);
    close(decfd);

  }
}

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