【并发程序设计】12.内存映射

12.内存映射

使一个磁盘文件与内存中的一个缓冲区相映射，进程可以像访问普通内存一样对文件进行访问，不必再调用read,write，更加高效。

用到的函数

mmap函数

  1. 原型：

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

  2. 功能：创建共享内存映射

  3. 参数：

    • addr：指定要映射的内存地址，一般设置为 NULL 让操作系统自动选择合适的内存地址。

    • length：必须>0。映射地址空间的字节数，它从被映射文件开头 offset 个字节开始算起。

    • prot：指定共享内存的访问权限。可取如下几个值的可选：

      • PROT_READ（可读）

      • PROT_WRITE（可写）

      • PROT_EXEC（可执行）

      • PROT_NONE（不可访问）

    • flags：由以下几个常值指定：

      1. MAP_SHARED（共享映射）

      2. MAP_PRIVATE（私有映射）

      3. MAP_FIXED（表示必须使用 start 参数作为开始地址，如果失败不进行修正）

      4. MAP_ANONYMOUS（匿名映射，用于血缘关系进程间通信）

        其中，MAP_SHARED , MAP_PRIVATE必选其一，而 MAP_FIXED 则不推荐使用。

    • fd：表示要映射的文件句柄。如果匿名映射写-1。

    • offset：表示映射文件的偏移量，一般设置为 0 表示从文件头部开始映射。

  4. 返回值：

    • 成功返回创建的映射区首地址
    • 失败返回MAP_FAILED，设置errno值

lseek函数

  1. 原型：

    #include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
off_t lseek(int fd, off_t offset, int whence);

  2. 功能：用于在文件中定位文件指针的位置

  3. 参数：

    • fd：文件描述符，通常是通过open或fopen函数获得的。

    • offset：相对于whence的偏移量，以字节为单位。

    • whence：表示参考点的位置，可以是以下值之一：

      ：表示参考点的位置，可以是以下值之一：

      • SEEK_SET：文件开头
      • SEEK_CUR：文件当前位置
      • SEEK_END：文件结尾

  4. 返回值：

    • 成功时，返回新的文件指针位置。
    • 失败时，返回-1，并设置errno

示例1

利用内存映射实现两个无亲缘关系的线程间的通信

write.c

#include <sys/mman.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{void *addr;int fd;fd = open("test",O_RDWR);if(fd<0){perror("open");return 0;}//获取文件大小int fileSize = lseek(fd, 0, SEEK_END);lseek(fd, 0, SEEK_SET); // 将文件指针重置到文件开头//映射文件到内存addr = mmap(NULL,2000,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);if(addr == MAP_FAILED){perror("mmap");close(fd);return 0;}//写入文件int i = 0;printf("%d\n",fileSize);while(i < 2000){printf("%d\n",i);memcpy(addr+i,"5",1);sleep(1);i++;}return 0;
}

read.c

#include <sys/mman.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int main(int argc, const char *argv[])
{void *addr;int fd;fd = open("test",O_RDWR);if(fd<0){perror("open");return 0;}//获取文件大小int fileSize = lseek(fd, 0, SEEK_END);lseek(fd, 0, SEEK_SET); // 将文件指针重置到文件开头//映射文件到内存addr = mmap(NULL,2000,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);if(addr == MAP_FAILED){perror("mmap");close(fd);return 0;}//读取int i = 0;printf("%d\n",fileSize);while(i < 2000){printf("%s\n",(char *)addr);sleep(1);}return 0;
}

示例2匿名映射

利用内存映射匿名映射实现两个亲缘线程间的通信

#include <sys/mman.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/wait.h>int main(){void *addr;//匿名映射addr = mmap(NULL,2048, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);if(addr == MAP_FAILED){perror("mmap");return 0;}//创建子进程pid_t pid;pid = fork();if(pid<0){perror("fork");return 0;}//父进程else if(pid>0){memcpy(addr,"1234567890",10);wait(NULL);//回收子进程}//子进程else {sleep(1);printf("read father val=%s\n",(char *)addr);}munmap(addr,2048);//释放内存
}

注意事项

  1. 创建映射区的过程中，隐含着一次对映射文件的读操作，将文件内容读取到映射区。

  2. 当MAP_SHARED时，要求：映射区的权限应 <=文件打开的权限(出于对映射区的保护)，如果不满足报非法参数（Invalid argument）错误。

    当MAP_PRIVATE时候，mmap中的权限是对内存的限制，只需要文件有读权限即可，操作只在内存有效，不会写到物理磁盘，且不能在进程间共享。

  3. 映射区的释放与文件关闭无关，只要映射建立成功，文件可以立即关闭。

  4. 用于映射的文件大小必须>0，当映射文件大小为0时，指定非0大小创建映射区，访问映射地址会报总线错误，指定0大小创建映射区，报非法参数错误（Invalid argument）

  5. 文件偏移量必须为0或者4K的整数倍（不是会报非法参数Invalid argument错误）

  6. 映射大小可以大于文件大小，但只能访问文件page的内存地址，否则报总线错误 ，超出映射的内存大小报段错误

    在这里插入图片描述

  7. 映射内存大小为4K的整数倍，若申请映射大小不为4K的整数倍，则会自动向上补齐。例如申请2k，实际可以操作的内存大小为4K。

System V共享内存

  • 共享内存是一种最为高效的进程间通信方式，进程可以直接读写内存，而不需要任何数据的拷贝
  • 共享内存在内核空间创建，可被进程映射到用户空间访问，使用灵活
  • 由于多个进程可同时访问共享内存，因此需要同步和互斥机制配合使用

共享内存使用步骤：

  1. 生成key
  2. 创建/打开共享内存
  3. 映射共享内存，即把指定的共享内存映射到进程的地址空间用于访问
  4. 读写共享内存
  5. 撤销共享内存映射
  6. 删除共享内存对象

在这里插入图片描述

ftok函数

  1. 原型：

    #include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
key_t **ftok**(const char *pathname, int proj_id);

  2. 功能：生成一个唯一的与文件相关的键值（key），这个键值通常用于IPC（进程间通信）中，比如创建共享内存或信号量等。

  3. 参数：

    • pathname：必须是存在的且可访问的文件路径。它可以是一个普通文件或者目录，但该路径下的某个文件需要具有相应的权限，以便其他进程可以通过该路径访问到相同的键值。
    • proj_id：是一个8位的整数（即范围在0到255之间）。它与文件的索引节点号结合生成最终的键值。

  4. 返回值：

    • 如果函数执行成功，会返回一个key_t类型的键值
    • 如果执行失败，则返回-1

  5. 注意：

    • 确保pathname指定的文件存在且可访问。

    • proj_id的值虽然作为int类型传递，但实际上只有8个比特被使用，因此其取值范围是0到255。

    • 生成的键值是由proj_id的后8个比特、文件所在设备的最后两位和文件的索引节点号的最后四位组成的

shmget函数

  1. 原型：

    #include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

  2. 功能：获取或创建一个共享内存段，并返回一个共享内存标识符。

  3. 参数：

    • key：共享内存的键值，可以是0（IPC_PRIVATE）以创建一个新的共享内存对象，或者是大于0的32位整数。如果shmflg中包含了IPC_CREAT标志，且提供的键值已经存在，则会返回现有的共享内存标识符。
    • size：指定需要共享的内存容量，以字节为单位。
    • shmflg：权限标志，与open函数的mode参数类似。如果希望在键值指定的共享内存不存在时创建它，可以与IPC_CREAT进行或操作。

  4. 返回值：

    • 如果成功，shmget函数返回一个共享内存标识符，该标识符可以在后续的共享内存相关操作中使用，如shmat、shmdt和shmctl等。
    • 如果失败，返回-1。

  5. 注意：

    • 不同进程可以通过shmget返回的共享内存标识符访问同一块共享内存。
    • 当写数据到共享内存时，需要注意同步问题，即在进程间访问共享内存时要加锁，以防止数据竞争。
    • 在使用共享内存时，应确保结构体中的缓冲区已经声明了足够的大小，而不是仅使用一个指针并在需要时通过malloc分配内存，因为这样分配的地址其他进程无法访问

ipcs 命令

  1. 格式：ipcs [options]
  2. 功能：ipcs 命令用于提供系统中进程间通信设施的信息，包括消息队列、共享内存段和信号量。
  3. 参数：
    • -a 或 --all：显示所有类型的 IPC 资源信息。
    • -b 或 --broad：显示 IPC 资源的宽泛信息，包括最大允许的尺寸等。
    • -m 或 --shmems：仅显示共享内存段的信息。
    • -q 或 --queues：仅显示消息队列的信息。
    • -s 或 --semaphores：仅显示信号量的信息。
    • -i <id> 或 --identifier <id>：显示特定 IPC 资源 ID 的详细信息。
    • -l 或 --limits：显示系统限制信息。
    • -u 或 --summary：显示 IPC 资源的摘要信息。
    • -p 或 --pid：显示创建 IPC 资源的进程 ID。
    • -t 或 --time：显示最后操作 IPC 资源的时间。
    • -c 或 --creator：显示 IPC 资源的创建者信息。
    • -h 或 --human：以人类可读的格式显示大小。
    • -v 或 --version：显示 ipcs 命令的版本信息。
    • -V 或 --help：显示帮助信息。
  4. 示例：
    • ipcs -a：显示所有类型的 IPC 资源信息。
    • ipcs -m：仅显示共享内存段的信息。
    • ipcs -q：仅显示消息队列的信息。
    • ipcs -s：仅显示信号量的信息。
    • ipcs -u：显示 IPC 资源的摘要信息。
    • ipcs -i 1234：显示 ID 为 1234 的 IPC 资源的详细信息。

shmat函数

  1. 原型：

    #include <sys/shm.h>
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

  2. 功能：将创建好的共享内存段连接到某个进程，并指定内存空间

  3. 参数：

    • shmid：是通过shmget函数返回的共享内存标识符，它唯一标识了一个共享内存段。
    • shmaddr：是一个可选参数，用于指定共享内存映射到进程地址空间中的起始地址。如果传递NULL，则由系统自动选择一个地址进行映射。
    • shmflg：是一组标志位，用于控制共享内存的访问权限和其他属性。常见的标志包括SHM_RDONLY（只读访问）和SHM_WRONLY（只写访问）。

  4. 返回值：

    • 成功，返回一个指向共享内存段在进程地址空间中映射的起始位置的指针。这个指针可以用于访问共享内存中的数据。
    • 失败，返回-1

shmdt函数

  1. 原型：

    #include <sys/shm.h>
int shmdt(const void *shmaddr);

  2. 功能：从进程的地址空间中分离已经附加的共享内存段

  3. 参数：shmaddr是一个指向共享内存段的指针，这个指针通常是通过shmat函数返回的。

  4. 返回值：

    • 成功，shmdt函数返回0
    • 失败，返回 -1，并设置 errno 以指示错误原因。

shmctl函数

  1. 原型：

    #include <sys/shm.h>
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

  2. 功能：控制共享内存段，包括删除和修改权限等操作

  3. 参数：

    • shmid：是通过shmget函数返回的共享内存标识符，唯一标识了一个共享内存段。
    • cmd：是控制命令，用于指定要执行的操作
      • IPC_STAT（获取共享内存的状态）
      • IPC_SET（设置共享内存的状态）
      • IPC_RMID（删除共享内存段）
    • buf：是一个指向shmid_ds结构体的指针，用于存储或接收共享内存的状态信息。在某些命令下，如IPC_STAT和IPC_SET，需要提供这个参数。

  4. 返回值：

    • 成功，shmctl函数返回0；
    • 出错，返回 -1，并设置 errno 以指示错误原因

示例

创建和使用共享内存

write.c

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>int main() {key_t key;  // 定义一个键值变量int shmid;  // 定义一个共享内存标识符变量char *buf;  // 定义一个指向共享内存的指针变量key = ftok("keytest", 100);  // 生成一个唯一的键值if (key < 0) {perror("ftok");  return 0;}printf("key=%x\n", key);  // 打印生成的键值shmid = shmget(key, 512, IPC_CREAT | 0666);  //创建并获取共享内存段if (shmid < 0) {perror("shmget");  return 0;}printf("shmid=%d\n", shmid);  // 打印共享内存标识符buf = shmat(shmid, NULL, 0);  // 将共享内存段附加到进程的地址空间中if (buf < 0) {perror("shmat");  return 0;}strcpy(buf, "hello world");  // 将字符串"hello world"复制到共享内存中
}

read.c

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>int main() {key_t key;  // 定义一个键值变量int shmid;  // 定义一个共享内存标识符变量char *buf;  // 定义一个指向共享内存的指针变量key = ftok("keytest", 100);  // 生成一个唯一的键值if (key < 0) {perror("ftok");  return 0;}printf("key=%x\n", key);  // 打印生成的键值shmid = shmget(key, 512, 0666);  // 获取共享内存段if (shmid < 0) {perror("shmget");  return 0;}printf("shmid=%d\n", shmid);  // 打印共享内存标识符buf = shmat(shmid, NULL, 0);  // 将共享内存段附加到进程的地址空间中if (buf < 0) {perror("shmat");  return 0;}printf("read = %s\n",buf);if(shmdt(buf) == -1)//共享内存段从进程的地址空间中分离perror("shmdt");if(shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1)//删除共享内存段perror("shmctl");return 0;
}

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