Linux应用---内存映射

写在前面：

在进程间通信中，有一种方式内存映射。内存映射也是进程间通信的方式之一，其效率高，可以直接对内存进行操作。本节我们对内存映射进行学习，并结合案例进行实践。

1、基本理论

内存映射：是将磁盘文件中的数据映射到内存，用户通过修改内存就能修改磁盘文件。

那通过内存映射如何实现进程之间的通信呢？简单来说就是将同一个文件存储映射部分分别映射到不同的进程中，两个进程通过改变文件的内容（读写内存）来实现通信，不必再使用read和write函数等系统调用，加快文件的读取和写入。

内存映射相关函数

#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset);//用于文件或者设备映射到内存中去
int munmap(void *addr, size_t length);//释放内存映射

1、mmap函数

涉及头文件：#include <sys/mman.h>

函数原型：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去；

参数： - void *adder:NULL;由内核指定。

-lenth:要映射的内存的长度，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；

没有达到分页的大小，按照分页大小进行，所以是分页的整数倍。

所以一般情况下，申请的内存区域大于等于文件的大小。

-prot:对申请的内存区的操作权限；

PROT_EXEC 可执行的权限

PROT_READ 读的权限

PROT_WRITE 写的权限

PROT_NONE 没有权限

要操作映射内存，必须要读的权限-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，如果要完成进程间通信，必须设置这个选项；

MAP_PRIVATE：不同步，内存映射区的数据改变了，对原来的文件不会修改，会重新创建一个新的文件。copy on write.

-fd:

需要操作的文件描述符，通过open得到，打开的是一个磁盘文件。

注意：文件的大小不能为0；

open指定的权限，不能和prot冲突；

port：PROT_READ； open：只读/读写；

port：PROT_READ|PROT_WRITE； open：读写；

总的来说：port的权限要小于open的权限，必须要有读的权限。

-offset：偏移量，一般不用，必须要指定的是4k的整数倍。0表示不偏移。

返回值：

-成功：返回创建内存的首地址；

-失败：返回MAP_FAILED (void *)-1;

2、munmap函数

涉及头文件：#include<sys/mman.h>

函数原型：int munmap(void *addr, size_t length);

功能：释放内存映射；

参数：

void *addr：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的值一样。

2、案例一：通过内存映射实现父子进程间的通信

实现方案：

在没有子进程的时候，通过唯一的父进程创建内存映射区；

有了内存映射区，再创建子进程；

父子进程共享内存映射区；

实现流程：

1、打开一个文件；

2、获取文件大小（用于mmap函数的参数）；

3、创建内存映射区；fork()之后父子进程共享内存映射区。

4、创建子进程；

父进程读取数据，子进程发送数据；（因为子进程发送完成后，可以被父进程进行回收，避免僵尸进程的产生）。

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>int main()
{//1、打开一个文件int fd = open("text.txt",O_RDWR);//2、获取大小int size=lseek(fd,0,SEEK_END);//3、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);}//4、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,sun!!");}//关闭内存映射区：munmap(ptr,size);return 0;
}

运行结果：

3、案例二：通过内存映射实现没有关系进程之间的通信

实现方案：

准备一个大小不为0的磁盘文件；

进程1 通过磁盘文件(与进程2的文件相同)创建内存的映射区；

得到一个操作这块内存的指针。

进程2 通过磁盘文件(与进程1的文件相同)创建内存映射区；

得到一个操作这块内存的指针。

使用内存映射区进行通信。

注意：内存映射区通信，没有阻塞；

进程1：写内容

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>int main()
{// 1、准备一个磁盘文件。// 2、通过磁盘文件创建内存的映射区；int fd = open("test.txt",O_RDWR);int size= lseek(fd,0,SEEK_END);void * prt=mmap(NULL,size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);if( prt == MAP_FAILED){perror("mmap");exit(0);}strcpy((char *)prt,"sixsixsix");munmap(prt,size);return 0;
}

进程2：读文件

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>int main()
{// 1、准备一个磁盘文件。// 2、通过磁盘文件创建内存的映射区；int fd = open("test.txt",O_RDWR);int size= lseek(fd,0,SEEK_END);void * prt=mmap(NULL,size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);if( prt == MAP_FAILED){perror("mmap");exit(0);}char buf[64];strcpy(buf,(char *)prt);printf("read data:%s\n",buf);munmap(prt,size);return 0;
}

运行结果：

4、内存映射的注意事项

1、如果对mmap的返回值（ptr）做++操作,munmap能够成功吗？
void * ptr =mmap(...)
可以对其进行++操作，但是不建议因为释放的时候，需要把最开始的地址记录下来。
2、如果open时，O_RDONLY,mmap时prot参数指定 PROT_READ|PROT_WRITE 会怎么样？
错误，会返回宏MAP_FAILED
open()权限建议和prot参数保持一致，更准确的说open()的权限要大于prot参数的权限；
3、如果文件偏移量为1000会怎么样？
偏移量必须是4k的整数倍，否则错误，会返回宏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权限
-只是指定了写权限；
-prot参数权限为：PROT_READ|PROT_WRITE,第5个参数文件描述符fd（通过open函数打开时，O_RDONLY、O_WRONLY）
5、可以open的时候，O_CREAT一个新文件来创建映射区。
可以的，但是创建的文件的大小如果为0，肯定不行；
-lseek（）
-truncate（）
进行扩展；
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进行越界操作会怎么？
void *ptr=mmap(NULL,100..);
4k
越界操作，操作的是非法内存，-段错误。

5、使用内存映射实现文件的拷贝

使用内存映射实现文件拷贝的功能

/*

1、对原始的文件进行内存映射；

2、创建一个新的文件，新文件进行扩展；

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；

*/

#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、创建一个新的文件，新文件进行扩展；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(fd," ",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memcmp(ptr1,ptr,len);//释放资源munmap(ptr1,len);munmap(ptr,len);close(fd1);close(fd);return 0;
}

运行结果：

6、父子进程间匿名内存映射

匿名映射不需要文件实体，直接进行内存映射。在父子进程中可以使用匿名映射。没有关系的进程不能进行，没有关联了。

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

关键在于：port需要用到MAP_ANONYMOUS，此参数是匿名映射所需要的。

#define _DEFAULT_SOURCE 
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>int main()
{//1、创建匿名内存映射区int len =4096;void *ptr = mmap(NULL,len,PROT_READ|PROT_WRITE ,MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS,-1,0);//if(ptr==MAP_FAILED){perror("mmap");exit(0);}//2、父子进程通信pid_t pid=fork();if(pid>0){//父进程strcmp((char*)ptr,"hello,world");wait(NULL);}else if(pid==0){//子进程sleep(1);printf("%s\n",(char*)ptr);}//释放内存映射区int ret=munmap(ptr,len);if(ret==-1){perror("munmap");exit(0);}int ret1=munmap(ptr,len);if(ret1==-1){perror("munmap");exit(0);}}

运行结果：