内存映射实现进程间通信

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。

内存映射对应的虚拟地址空间是动态库/共享库所在的区域；映射的内存数据修改，文件数据也会对应修改，如果文件也映射到另一个进程，那么另一个进程就可以获取到修改后的数据。

在这里插入图片描述

1. 内存映射相关系统函数

内存映射相关系统函数在头文件 #include <sys/mman.h>中。

相关的函数有：

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);  // 映射文件到内存中
int munmap(void *addr, size_t length);  // 解除映射，释放映射的内存

mmap()函数：

功能：将文件或设备数据映射到内存中；

参数：

void *addr：传递NULL，由内核指定该地址

size_t length：映射的数据的长度，值不能为0，建议使用文件的长度，单位字节；stat()或>lseek()函数获取文件长度；最少是分页的整数倍；

int prot：对申请的内存映射区的操作权限，可以使用按位或|操作；要操作映射内存，需要有读的权限；

PROT_NONE：没有权限

PROT_EXEC：可执行权限

PROT_READ：读权限

PROT_WRITE：写权限

推荐使用的权限：PROT_READ、PROT_READ|PROT_WRITE

int flags：

MAP_SHARED：映射区的数据自动和磁盘文件同步，进程间通信需要设置>MAP_SHARED

MAP_PRIVATE：不同步，内存映射区的数据改变不会修改原来的文件，底层会重新创建一个文件，copy on write

int fd：需要映射的文件的文件描述符，通过open()打开磁盘文件得到；需要注意文件大小不能为0、open()指定的权限不能和prot参数冲突（prot的权限 < fd的权限）；

off_t offset：文件映射时的偏移量，必须指定为4k的整数倍，一般不用设置为0，表示不偏移，从文件开头开始映射；

返回值：成功返回创建的内存的地址，失败返回宏MAP_FAILED

munmap()函数：

功能：释放内存映射

参数：

void *addr：要释放的内存的首地址

size_t length：要释放的内存的大小，和mmap()函数中的length参数设置一样

内存映射可以实现有亲缘关系的进程间通信：

首先创建内存映射区；
然后创建子进程；
父子进程间共享创建的内存映射区；

也可以实现没有亲缘关系的进程间通信：

首先准备一个大小不是0的磁盘文件；
进程1通过磁盘文件创建内存映射区，得到操作内存的指针；
进程2通过磁盘文件创建内存映射区，得到操作内存的指针；
使用内存映射区通信；

内存映射区通信是非阻塞的。

2. 内存映射使用示例

使用内存映射实现父子进程之间的通信。

#include <stdio.h>
#include <sys/mman.h> // 内存映射相关头文件
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/wait.h>

int main()
{

    char *filename = "test.txt";
    // 打开文件
    int fd = open(filename, O_RDWR);
    if (fd == -1)
    {
        perror("open");
        exit(-1);
    }

    // 获取文件大小
    off_t len = lseek(fd, 0, SEEK_END);

    // 创建内存映射区
    void *ptr = mmap(NULL, len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (ptr == MAP_FAILED)
    {
        perror("mmap");
        exit(-1);
    }

    //  创建子进程
    pid_t pid = fork();
    if (pid > 0)
    {
        wait(NULL);
        // 父进程 读数据

        char buf[1024] = {0};
        strcpy(buf, (char *)ptr);
        printf("receive: %s \n", buf);
    }
    else if (pid == 0)
    {
        // 子进程  写数据
        strcpy((char *)ptr, "hello,father!!");
    }

    //  关闭内存映射区
    munmap(ptr, len);

    // 关闭文件
    close(fd);

    return 0;
}

运行结果：

zoya@zoya-virtual-machine:~/Linux/chap2/lesson12$ ./mmap
receive: hello,father!!

使用内存映射实现没有亲缘关系的进程间通信。

mmap-read.c：

// 内存映射实现进程间通信的读数据

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

int main()
{
    // 1. 打开文件获取文件描述符，获取文件大小
    char *filename = "test.txt";
    int fd = open(filename, O_RDWR);
    if (fd == -1)
    {
        perror("open");
        exit(-1);
    }
    // 2. 获取文件长度
    off_t len = lseek(fd, 0, SEEK_END);
    if (len == -1)
    {
        perror("lseek");
        exit(-1);
    }

    // 3. 内存映射 mmap
    void *ptr = mmap(NULL, len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (ptr == MAP_FAILED)
    {
        perror("mmap");
        exit(-1);
    }

    // 4. 读取数据
    char buf[1024] = {0};
    while (1)
    {
        sleep(1);
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
        strcpy(buf, (char*)ptr);
        printf("read : %s \n", buf);
    }

    // 5. 释放内存映射
    munmap(ptr, len);

    // 6. 关闭文件
    close(fd);

    return 0;
}

mmap-write.c：

// 内存映射实现进程间通信的写数据

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

int main()
{
    // 1. 打开文件获取文件描述符，获取文件大小
    char *filename = "test.txt";
    int fd = open(filename, O_RDWR);
    if (fd == -1)
    {
        perror("open");
        exit(-1);
    }

    // 2. 获取文件长度
    off_t len = lseek(fd, 0, SEEK_END);
    if (len == -1)
    {
        perror("lseek");
        exit(-1);
    }

    // 3. 内存映射 mmap
    void *ptr = mmap(NULL, len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (ptr == MAP_FAILED)
    {
        perror("mmap");
        exit(-1);
    }

    // 4. 写数据
    char buf[1024] = {0};
    int nIndex = 0;
    while (1)
    {
        sleep(1);
        memset(buf, 0, sizeof(buf));
        sprintf(buf, "%d hello!", nIndex++);
        printf("write : %s \n", buf);
        strcpy((char*)ptr, buf);
    }

    // 5. 释放内存映射
    munmap(ptr, len);

    // 6. 关闭文件
    close(fd);

    return 0;
}

程序运行结果：
在这里插入图片描述
运行后test.txt文件中的内容：

3. 内存映射函数使用注意事项

调用mmap()函数后错误，错误信息：Permission denied
原因是打开文件时使用的 O_RDONLY | O_WRONLY权限，应该使用 O_RDWR替换。
参考链接：https://www.cnblogs.com/AD-milk/p/14541555.html。
文件偏移量必须是4k的整数倍，如果不是整数倍，一般会错误，函数会返回MAP_FAILED，会提示错误Invalid argument。
mmap()函数调用失败的情况：

参数len=0；

参数prot仅指定了写权限；

参数prot指定了PROT_READ|PROT_WRITE，但是参数fd打开的权限指定的是O_RDONLY或O_WRONLY；

mmap()函数调用后可以关闭文件描述符，调用mmap()后，映射区仍然存在，fd被关闭没有影响；
对mmap()返回值prt操作越界，会导致段错误。

4. 匿名映射

匿名映射是不需要文件实体进行的内存映射，可以用来进行父子间的通信，如下：

// 匿名映射

#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/wait.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.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); // 匿名映射
    if (ptr == MAP_FAILED)
    {
        perror("mmap");
        exit(-1);
    }

    // 父子进程间通信
    pid_t pid = fork();
    if (pid > 0)
    {
        // 父进程
        // 写数据
        strcpy((char *)ptr, "hello,world!");
        wait(NULL);
    }
    else if (pid == 0)
    {
        // 子进程
        // 读取数据
        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(-1);
    }

    return 0;
}

文章参考：https://www.nowcoder.com/study/live/504/2/18

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【Linux】Linux进程间通信——内存映射

文章目录

内存映射实现进程间通信

1. 内存映射相关系统函数

2. 内存映射使用示例

3. 内存映射函数使用注意事项

4. 匿名映射

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