进程通信方式---共享映射区（无血缘关系用的）

news2024/12/19 15:23:29

5.共享映射区（无血缘关系用的）

文章目录

    • 5.共享映射区（无血缘关系用的）
      • 1.概述
      • 2.mmap&&munmap函数
      • 3.mmap注意事项
      • 4.mmap实现进程通信
        • 父子进程
          • 练习
        • 无血缘关系
      • 5.mmap匿名映射区

1.概述

  • 原理：共享映射区是将文件内容映射到进程的地址空间中，使得多个进程可以通过访问这个共享的内存区域来实现通信。进程对映射区域的操作就如同对文件进行操作一样，这些操作会直接反映在文件和其他共享该映射区域的进程中。

  • 示例场景：多个进程需要共同操作一个配置文件，通过将该配置文件映射到共享映射区，进程可以直接在内存中读取和修改配置信息，而不需要频繁地进行文件 I/O 操作。

  • 优点：结合了内存操作的高效性和文件存储的持久性；可以方便地在不相关的进程之间实现通信，只要它们能访问到同一个文件。

  • 缺点：对文件的操作需要注意同步问题，否则可能导致数据不一致；文件大小可能会限制共享映射区的大小。

**存储映射I/O(Memory-mapped l/O)使一个磁盘文件与内存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。

使用这种方法,首先应通知内核,将一个指定文件映射到存储区域中。这个映射工作可以通过mmap函数来实
现。

2.mmap&&munmap函数

创建共享内存映射

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

参数：

  • addr： 指定映射区的首地址。通常传NULL，表示让系统自动分配

  • length：共享内存映射区的大小。（<= 文件的实际大小）

  • prot： 共享内存映射区的读写属性。PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_READ|PROT_WRITE

  • flags： 标注共享内存的共享属性，共享就是对文件的修改会写回磁盘，私有就不会写回磁盘。MAP_SHARED、MAP_PRIVATE

  • fd: 用于创建共享内存映射区的那个文件的 文件描述符，就是要映射到内存的文件

  • offset：默认0，表示映射文件全部。偏移位置，从哪里开始映射。需是 4k 的整数倍

返回值：

成功：映射区的首地址

失败：MAP_FAILED (void*(-1))， errno----就是把-1强转为void *了

释放共享内存映射

int munmap(void *addr, size_t length);

参数

addr：mmap 的返回值，共享内存映射首地址

length：大小

返回值

成功0，失败-1

函数使用

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <pthread.h>

void sys_err(const char *str)
{
	perror(str);
	exit(1);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    char *p = NULL;
    int fd;

    fd = open("testmap", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0644);     // 创建文件用于创建映射区
    if (fd == -1)
        sys_err("open error");
/*
    lseek(fd, 10, SEEK_END);            // 两个函数等价于 ftruncate()函数
    write(fd, "\0", 1);
*/
    ftruncate(fd, 20);                  // 需要借助写权限,才能够对文件进行拓展
    int len = lseek(fd, 0, SEEK_END);

    p = mmap(NULL, len, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (p == MAP_FAILED) {
        sys_err("mmap error");
    }

    // 使用 p 对文件进行读写操作.
    strcpy(p, "hello mmap");            // 写操作

    printf("----%s\n", p);              // 读操作

    int ret = munmap(p, len);           // 释放映射区
    if (ret == -1) {
        sys_err("munmap error");
    }

	return 0;
}

3.mmap注意事项

思考 :

  1. 可以open的时候O_CREAT一个新文件来创建映射区吗 ?

  2. 如果open时O_RDONLY,mmap时PROT参数指定PROT_READ|PROT_WRITE会怎样 ?

  3. 文件描述符先关闭,对mmap映射有没有影响 ?

  4. 如果文件偏移量为1000会怎样 ?

  5. 对mem越界操作会怎样?

  6. 如果mem++,munmap可否成功 ?

  7. mmap什么情况下会调用失败 ?

    很多参数都会导致失败

  8. 如果不检测mmap的返回值,会怎样?

    会死得很惨

使用注意事项：

  1. 用于创建映射区的文件大小为 0，却指定非0大小创建映射区，出 “总线错误”。
  2. 用于创建映射区的文件大小为 0，也指定0大小创建映射区， 出 “无效参数”。
  3. 用于创建映射区的文件读写属性为，只读，映射区属性为 读、写。 出 “无效参数”； 文件和映射区都是只读的是可以的；文件只有写权限，映射区只有写权限也会报错。（2答案）
  4. 创建映射区，需要read权限。当访问权限指定为 “共享”MAP_SHARED是， mmap的读写权限应该 <=文件的open权限。 映射区只写不行。
  5. 文件描述符fd，在mmap创建映射区完成即可关闭。后续访问文件，用 地址访问。（3答案）
  6. offset 必须是 4096的整数倍。（MMU 映射的最小单位 4k ）（4答案）
  7. 对申请的映射区内存，不能越界访问。 （5答案）
  8. 读写都没问题，但是munmap会失败，munmap用于释放的 地址，必须是mmap申请返回的地址。（6答案）
  9. 映射区访问权限为 “私有”MAP_PRIVATE, 对内存所做的所有修改，只在内存有效，不会反应到物理磁盘上。
  10. 映射区访问权限为 “私有”MAP_PRIVATE, 只需要open文件时，文件有读权限，用于创建映射区即可。

image-20241218222315367

mmap函数的保险调用方式：

1. fd = open（"文件名"， O_RDWR）;
2. mmap(NULL, 有效文件大小， PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);

4.mmap实现进程通信

父子进程

父子等有血缘关系的进程之间也可以通过mmap建立的映射区来完成数据通信。

但相应的要在创建映射区的时候指定对应的标志位参数flags:

MAP_PRIVATE:(私有映射)父子进程各自独占映射区;

MAP_SHARED:(共享映射) 父子进程共享映射区;

结论：

父子进程共享:1. 打开的文件 2.mmap建立的映射区(但必须要使用MAP_SHARED)

流程：

父子进程使用 mmap 进程间通信：

1.父进程 先 创建映射区。 open（ O_RDWR） mmap( MAP_SHARED );

2.指定 MAP_SHARED 权限

3.fork() 创建子进程。

4.一个进程读， 另外一个进程写。

练习

练习:父进程创建映射区,然后fork子进程,子进程修改映射区内容,而后,父进程读取映射区内容,查验是
否共享

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

int var = 100;

int main(void)
{
    int *p;
    pid_t pid;

    int fd = open("temp", O_RDWR);

    //p = (int *)mmap(NULL, 40, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
    p = (int *)mmap(NULL, 490, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    //p = (int *)mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, 0); 私有的不行
    if(p == MAP_FAILED){		//注意:不是p == NULL
        perror("mmap error");
        exit(1);
    }
    close(fd);

    pid = fork();				//创建子进程
    if(pid == 0){
       *p = 7000;               // 写共享内存
        var = 1000;
        printf("child, *p = %d, var = %d\n", *p, var);
    } else {
        sleep(1);
        printf("parent, *p = %d, var = %d\n", *p, var);     // 读共享内存
        wait(NULL);

        int ret = munmap(p, 4);				//释放映射区
        if (ret == -1) {
            perror("munmap error");
            exit(1);
        }
    }

    return 0;
}
无血缘关系

流程： 【要求会写】

1.两个进程 打开同一个文件，创建映射区。

2.指定flags 为 MAP_SHARED。

3.一个进程写入，另外一个进程读出。

【注意】：无血缘关系进程间通信。

​ mmap：数据可以重复读取。

​ fifo：数据只能一次读取。

读端

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

struct student {
    int id;
    char name[256];
    int age;
};

void sys_err(const char *str)
{
	perror(str);
	exit(1);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    struct student stu;
    struct student *p;
    int fd; 

    fd = open("test_map", O_RDONLY);
    if (fd == -1)
        sys_err("open error");

    p = mmap(NULL, sizeof(stu), PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (p == MAP_FAILED)
        sys_err("mmap error");

    close(fd);

    while (1) {
        printf("id= %d, name=%s, age=%d\n", p->id, p->name, p->age);
        usleep(10000);
    }
    
    munmap(p, sizeof(stu));

	return 0;
}

写端

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

struct student {
    int id;
    char name[256];
    int age;
};

void sys_err(const char *str)
{
	perror(str);
	exit(1);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    struct student stu = {1, "xiaoming", 18};
    struct student *p;
    int fd; 

//    fd = open("test_map", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0664);
    fd = open("test_map", O_RDWR);
    if (fd == -1)
        sys_err("open error");

    ftruncate(fd, sizeof(stu));

    p = mmap(NULL, sizeof(stu), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (p == MAP_FAILED)
        sys_err("mmap error");

    close(fd);

    while (1) {
        memcpy(p, &stu, sizeof(stu));
        stu.id++;
        sleep(2);
    }
    
    munmap(p, sizeof(stu));

	return 0;
}

5.mmap匿名映射区

匿名映射：只能用于 血缘关系（父子）进程间通信。

p = (int *)mmap(NULL, 40, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

映射区大小想要多少写多少

权限想要啥写啥

文件描述符的地方传-1

flags要 | 下面提到的两个宏

image-20241218224059685

/dev/zero 从这个文件里面拿数据可以随便拿，想要多大拿多大的数据，只不过读出来都是文件空洞

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