2 Linux多进程开发5 内存映射 - 《Linux服务器编程入门》

内存映射
也是进程间通信的一种方式，效率相对于上面基于文件的方法更高(对内存直接操作而非对物理磁盘操作)。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。
将文件数据映射到虚拟地址空间(进程地址空间)—-加载到动态库(share)的那块区域，可以根据off,len参数选择部分文件内容映射到内存中。对这块内存操作等同于对文件操作，对文件操作也等同于对内存进行修改。

两个进程将同一磁盘文件映射到内存中，直接通过对内存的读写就能完成进程间通信。

#include <sys/mman.h>
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

内存映射实现父子进程通信

/*
       #include <sys/mman.h>
       void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,
                  int fd, off_t offset);
        映射or解除映射 文件、设备 到进程虚拟地址空间 
        addr 映射内存的起始地址 传入NULL 则由内核决定(内核帮你去找一块相应大小的空间)
        length 内存大小 不能为0，一般使用文件的长度。
        获取文件的长度: stat lseek
        分配的内存空间并不是length个字节 而是大于length且与length最接近一页内存空间大小的整数倍
        prot 对申请的内存映射区的操作权限 不能与open文件的权限有冲突！！！
        PROT_EXEC  页内存可执行
        PROT_READ  页内存可读
        PROT_WRITE 页内存可写
        PROT_NONE  无对这块内存的任何权限
        想要操作至少要有读权限、不能是单独的写权限 至少是PROT_READ|PROT_WRITE
        flags 
        MAP_SHARED 映射区内存数据会自动与磁盘文件同步 进程间通信 必须要设置这个选项
        MAP_PRIVATE 不同步 内存映射区的数据改变了 不会修改对应的磁盘文件而是创建一个新的文件 copy on write
        fd 需要映射的文件的文件描述符   注意文件的大小不能为0！！
        open指定的权限不能和prot有冲突  prot为PROT_READ 则之前open时给 读/读写 权限
        prot为PROT_READ|PROT_WRITE 则之前open时给 读写 权限\
        即prot的权限要小于等于open给的权限
        offset 映射时的偏移量 从文件的offset个字节开始 向下length个字节的内容 映射到内存中，指定的大小必须是一页内存4k的整数倍，0表示不偏移
        返回值 成功 内存映射空间的首地址 失败返回 一个宏MAP_FAILED (that is, (void *) -1)
       int munmap(void *addr, size_t length);
        释放映射的内存
        addr 释放内存的首地址
        length 空间大小 与mmap中length参数的大小一样
        返回值 成功0 失败-1
*/
/*
文件映射
 有血缘关系的进程
 在还没fork时 创建文件 以及创建内存映射区(在进程内存空间的内核区中 fork后也是直接拷贝给子进程的)
 fork后共享内存映射区
匿名映射
 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
 进程2 通过磁盘文件(同一文件)创建 内存映射区
 可以使用内存映射区通信
 内存映射区通信是非阻塞的！！(管道默认是阻塞的，没数据后读是阻塞的)
*/
#include <sys/mman.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>    //acess lseek
#include <fcntl.h>     //open
#include <sys/types.h> //lseek
#include <stdlib.h>
#include <wait.h>
int main()
{
    //打开文件 文件大小不要为0
    int fd = open("mmap-parent-child-ipc", O_RDWR);
    //获取文件大小
    int size = lseek(fd, 0, SEEK_END); //从文件末尾 偏移0
    //创建内存映射区
    void *ptr = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (ptr == MAP_FAILED) //创建失败
    {
        perror("mmap");
        exit(0);
    }
    //文件映射
    pid_t pid = fork();
    if (pid > 0) //父进程
    {
        wait(NULL); //回收子进程 子进程没结束就一直阻塞 即等待子进程向文件写数据完成后 再向下执行
        char buf[1024];
        strcpy(buf, (char *)ptr); //通过strcpy从文件读数据到buf中
        printf("data from son: %s \n");
    }
    else if (pid == 0) //子进程的第一次fork返回值是0
    {
        strcpy((char *)ptr, "hello par"); //通过strcpy向文件写数据
    }
    //释放映射空间
    munmap(ptr, size);
    return 0;
}

mmap调用的一些问题，
1如果对mmap的返回值(内存映射空间的首地址)ptr做++,那么释放时munmap(ptr,size)是否能够成功
无法成功 size是完整空间的大小
2如果open时O_RDONLY,mmap时prot参数指定PROT_READ|PROT_WRITE会怎样
错误，mmap返回MAP_FAILED(void)-1 prot权限<=open时给的文件权限
3文件偏移量offset为1000
偏移量必须是4k的整数倍，会返回MAP_FAILED
4 mmap什么情况下调用失败
(1)第二个参数 length = 0
(2)prot权限>open时给fd的文件权限
(3)prot只给了写权限
(4)3
5 可以在open的时候O_CREAT一个新文件,此新文件的fd用于mmap来创建映射区吗
可以但是创建文件的大小如果为0 肯定不行
可用lseek或truncate拓展新文件的大小
6 mmap后关闭文件描述符fd 对mmap映射有什么影响
int fd = open(…);
void ptr = mmap(….,fd,.);
close(fd);
close后对ptr这块空间做操作，映射区还在但是创建映射区的fd被关闭了无影响
关闭文件描述符不取消映射的区域

内存映射复制文件

//将两个txt文件映射到内存中 并将其中一个文件拷贝到另一个文件中
//注意内存映射一般不做文件拷贝 因为文件太大 比如几个G内存会爆掉
#include <sys/mman.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>    //acess lseek
#include <fcntl.h>     //open
#include <sys/types.h> //lseek
#include <stdlib.h>
#include <wait.h>
#include <string.h>
int main()
{
    // 1对原始文件进行内存映射
    int fd = open("mmap-parent-child-ipc", O_RDWR);
    int len = lseek(fd, 0, SEEK_END); //获取原始文件大小
    void *ptr = mmap(NULL, len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (ptr == MAP_FAILED)
    {
        perror("mmap:");
        return -1;
    }
    // 2创建一个新的文件
    int newfd = open("becopy.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0664);
    // 3拓展新文件大小
    truncate("becopy.txt", len);
    write(newfd, "", 1); //文件大小拓展后需要写一下才能实现
    // 4把新文件的数据映射到内存中
    void *newptr = mmap(NULL, len, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, newfd, 0);
    if (newptr == MAP_FAILED)
    {
        perror("mmap:");
        return -1;
    }
    // 5通过内存拷贝将原始文件的内存数据 拷贝到新的文件中
    memcpy(newptr, newptr, len); //string.h 拷贝目的地，拷贝源，大小
    // 6释放资源
    munmap(newptr, len);
    munmap(ptr, len);
    close(newfd);
    close(fd);
    return 0;
}

匿名映射

/*
    匿名映射 不需要通过文件实体来进行内存映射
    之前的都是文件映射 文件映射可用于进程间有或没有关系都可以
    匿名映射必须在进程间有关系才可以
*/
#include <sys/mman.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>    //acess lseek
#include <fcntl.h>     //open
#include <sys/types.h> //lseek
#include <stdlib.h>
#include <wait.h>
int main()
{
    //创建内存映射区
    //MAP_ANONYMOUS匿名映射 此种内存映射不需要任何文件支持 内存中的数据都被初始化为0
    // fd参数指定了也会被忽略(有些实现需要指定fd为-1) offset 必须是0
    int size = 4096;
    void *ptr = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
    if (ptr == MAP_FAILED) //创建失败
    {
        perror("mmap:");
        exit(-1);
    }
    //父子进程间通信
    pid_t pid = fork();
    if (pid > 0) //父
    {
        //父进程先写 写完等待子进程结束 并回收子进程资源
        strcpy((char *)ptr, "hello");
        wait(NULL);
    }
    else if (pid == 0) //子
    {
        //读数据
        //因为内存映射区通信是非阻塞的在没写完之前 读到的为空 所以要先等待父进程写完
        sleep(1);
        printf("%s\n", (char *)ptr);
    }
    //释放映射空间
    munmap(ptr, size);
    return 0;
}