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Linux 系统编程 - 进程间通信 (mmap 内存映射)

作者:DS小龙哥
  • 2022 年 2 月 15 日
  • 本文字数:3672 字

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这篇文章介绍 Linux 下 mmap 内存映射机制,内存映射在多进程访问文件读写的时候非常方便。比如:多进程并发实现文件拷贝、文件下载,实现网络数据发送等。

1. 内存映射 mmap 函数介绍

mmap 函数可以将磁盘上的文件映射到内存空间中,返回映射的首地址。


相关函数: mmap munmap msync


函数原型与参数介绍:

#include <unistd.h>#include <sys/mman.h>int msync(const void *start, size_t length, int flags);    函数功能: 把对内存区域所做的更改同步到文件
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset);函数功能: 用来将某个文件内容映射到内存中,对该内存区域的存取即是直接对该文件内容的读写。通过这样可以加快文件访问速度。返回值:成功返回映射的内存的起始地址。(1) 第一个参数start指向欲对应的内存起始地址,通常设为NULL,代表让系统自动选定地址,对应成功后该地址会返回。(2) 第二个参数length代表将文件中多大的部分对应到内存。(3) 第三个参数prot代表映射区域的保护方式有下列组合:PROT_EXEC 映射区域可被执行PROT_READ 映射区域可被读取PROT_WRITE 映射区域可被写入PROT_NONE 映射区域不能存取(4) 第四个参数 flags会影响映射区域的各种特性:MAP_FIXED 如果参数start所指的地址无法成功建立映射时,则放弃映射,不对地址做修正。通常不鼓励用此旗标。MAP_SHARED 对映射区域的写入数据会复制回文件内,而且允许其他映射该文件的进程共享。MAP_PRIVATE 对映射区域的写入操作会产生一个映射文件的复制,即私人的“写入时复制”, 对此区域作的任何修改都不会写回原来的文件内容。MAP_ANONYMOUS 建立匿名映射。此时会忽略参数fd,不涉及文件,而且映射区域无法和其他进程共享。MAP_DENYWRITE 只允许对映射区域的写入操作,而不能对fd指向的文件进行读写,对该文件直接写入的操作将会被拒绝。MAP_LOCKED 将映射区域锁定住,这表示该区域不会被置换(swap)。在调用mmap()时必须要指定MAP_SHARED 或MAP_PRIVATE。 (5) 第五个参数fd为open()返回的文件描述词,代表欲映射到内存的文件。(6) 第六个参数offset为文件映射的偏移量,通常设置为0,代表从文件最前方开始对应,offset必须是分页大小的整数倍。 用法示例:fb_mem=mmap(NULL,smem_len,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fb,0); int munmap(void *addr, size_t length);函数功能: 取消映射,用来取消参数start所指的映射内存起始地址,参数length则是欲取消的内存大小。当进程结束,映射内存会自动解除,但关闭对应的文件描述词时不会解除映射。返回值:如果解除映射成功则返回0,否则返回-1。通过内存映射进行进程通信,多个进程可以同时映射同一个文件到内存空间,只要一个进程对文件进行了修改,其他进程都可以得到修改的数据。注意: 打开文件的权限需要与映射的权限一致!
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2. 案例代码: mmap 用法示例(1)

下面代码的功能: 创建一个新文件,设置文件大小,使用 mmap 函数映射文件地址出来,对地址直接拷贝数据进入,再取消映射。 这时再打开文件,数据已经存放到到文件中了。演示通过 mmap 映射文件地址方式读写文件。


#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <string.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <dirent.h>#include <stdlib.h>#include <sys/mman.h>
int main(int argc,char **argv){ if(argc!=2) { printf("./a.out <文件>\n"); return 0; } /*1. 创建一个文件*/ int fd; fd=open(argv[1],O_RDWR|O_CREAT,S_IRWXU); if(fd<0) { printf("%s 文件打开失败.\n",argv[1]); return 0; } /*2. 设置文件的大小*/ ftruncate(fd, 1024); /*3. 获取文件大小*/ struct stat s_buf; fstat(fd,&s_buf); printf("文件的大小:%d Byte\n",s_buf.st_size); /*4. 映射文件到内存空间*/ unsigned char *mem_p=NULL; mem_p=mmap(NULL,s_buf.st_size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0); if(mem_p==NULL) { printf("文件映射失败.\n"); close(fd); return 0; } /*5. 关闭文件*/ close(fd); /*6. 实现文件读写*/ strcpy(mem_p,"mmap函数测试.实现文件读写."); /*7. 打印文件里的内容*/ printf("mem_p=%s\n",mem_p); /*8. 取消映射*/ munmap(mem_p,s_buf.st_size); return 0;}
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3. 案例代码: mmap 用法示例(2)

下面代码的功能: 程序运行时,从命令行传入一个存在的文件路径进去,再调用 open 打开文件,再通过 mmap 映射文件地址,得到地址之后向文件拷贝一串字符串数据进去。


注意: 通过 mmap 映射的地址写数据一定要保证范围不能超过文件的本身大小范围。超过就段错误了。


#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <sys/mman.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <string.h>
char buff[]="内存映射测试";int main(int argc,char **argv){ if(argc!=2) { printf("./app <文件>\n"); return 0; } char *m_p; struct stat stat_buf; stat(argv[1],&stat_buf); int fd=open(argv[1],O_RDWR); m_p=mmap(0,stat_buf.st_size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0); if(m_p!=NULL)printf("映射成功!\n"); printf("m_p=%s\n",m_p); //memset(m_p,0,stat_buf.st_size); memcpy(m_p,buff,strlen(buff)); munmap(m_p,stat_buf.st_size); close(fd); return 0;}
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4. 案例代码: 多进程并发拷贝一个大文件

代码要求: 使用 mmap 函数映射文件到内存。 memcpy()使用多进程并发拷贝一个大文件,巩固 mmap 的用法详细要求: 创建 5 个子进程同时拷贝一个文件,每个进程拷贝文件的一部分。设置指定文件的大小:int truncate(const char *path, off_t length)


拷贝结构图如下:



示例代码:

#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <string.h>#include <sys/types.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#include <dirent.h>#include <stdlib.h>#include <sys/mman.h>#include <sys/wait.h>
//定义子进程的数量#define FORK_NUMBER 4
/*实现多进程并发拷贝大文件---mmap*/int main(int argc,char **argv){ if(argc!=3) { printf("./a.out <拷贝的源文件> <新文件>\n"); return 0; } /*1. 打开源文件*/ int src_fd=open(argv[1],O_RDWR); if(src_fd<0) { printf("%s 源文件打开失败.\n",argv[1]); return -1; } /*2. 创建新文件*/ int new_fd=open(argv[2],O_RDWR|O_CREAT,S_IRUSR|S_IWUSR); if(new_fd<0) { printf("%s 新文件创建失败.\n",argv[2]); return -2; } /*3. 获取源文件大小设置新文件的大小*/ struct stat s_buff; fstat(src_fd,&s_buff); printf("源文件的字节大小:%d\n",s_buff.st_size); ftruncate(new_fd,s_buff.st_size); /*4. 映射源文件到内存空间*/ unsigned char *src_p; src_p=mmap(NULL,s_buff.st_size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,src_fd,0); if(src_p==NULL) { close(src_fd); printf("源文件映射失败.\n"); return -3; } /*5. 映射新文件到内存空间*/ unsigned char *new_p; new_p=mmap(NULL,s_buff.st_size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,new_fd,0); if(new_p==NULL) { close(new_fd); printf("新文件映射失败.\n"); return -4; } /*6. 关闭文件*/ close(new_fd); close(src_fd); /*7. 计算子进程和父进程拷贝的文件字节大小*/ int cp_size; int main_size; cp_size=s_buff.st_size/FORK_NUMBER; //每个子进程拷贝的大小 main_size=s_buff.st_size%FORK_NUMBER; //父进程拷贝的大小 /*8. 创建子进程*/ int i; for(i=0;i<FORK_NUMBER;i++) { if(fork()==0)break; } /*9. 子进程完成文件的拷贝*/ if(i<FORK_NUMBER) //表示就是子进程 { memcpy(new_p+i*cp_size,src_p+i*cp_size,cp_size); munmap(new_p,s_buff.st_size); munmap(src_p,s_buff.st_size); } else //父进程 { memcpy(new_p+i*cp_size,src_p+i*cp_size,main_size); munmap(new_p,s_buff.st_size); munmap(src_p,s_buff.st_size); pid_t pid; while(1) { pid=wait(NULL); if(pid==-1)break; printf("%d 子进程退出成功.\n",pid); } printf("父进程退出成功.\n"); } return 0;}
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之所以觉得累,是因为说的比做的多。 2022.01.06 加入

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