Linux应用---内存映射

news2024/10/5 17:20:44

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：

 以上便是进程间内存映射的相关知识，结合案例进行了分析，大家学习后一定要多多练习！！

创作不易，还请多多点赞支持！！！

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