存储映射区

存储映射区可在不使用read和write函数的情况下，使用地址（指针）完成I/O操作。

它的本质是将一个磁盘文件与存储空间中的一个缓冲区相映射。从缓冲区中取数据，就相当于读文件中的相应字节；将数据写入缓冲区，则会将数据写入文件。

使用存储映射这种方法，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。

mmap函数

函数作用

建立存储映射区

函数原型

#include <sys/mman.h>

void* mmap(void* addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

函数返回值

• 成功：返回创建的映射区首地址；
• 失败：MAP_FAILED宏

函数参数

• addr：指定映射的起始地址，通常设为NULL，由系统指定
• length：映射到内存的文件长度
• prot：映射区的保护方式，最常用的:
  • 读：PROT_READ
  • 写：PROT_WRITE
  • 读写：PROT_READ | PROT_WRITE
• flags：映射区的特性，可以是
  • MAP_SHARED：写入映射区的数据会写回文件，且允许其他映射该文件的进程共享。
  • MAP_PRIVATE：对映射区的写入操作会产生一个映射区的复制(copy-on-write)，对此区域所做的修改不会写回原文件。
• fd：由open返回的文件描述符，代表要映射的文件。
• offset：以文件开始处的偏移量，必须是4k的整数倍，通常为0，表示从文件头开始映射。

使用mmap函数建立匿名映射：

mmap(NULL, 4096, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);

mmap使用总结

• 第一个参数 写成NULL
• 第二个参数 要映射的文件大小 > 0
• 第三个参数：PROT_READ 、PROT_WRITE
• 第四个参数：MAP_SHARED 或者 MAP_PRIVATE
• 第五个参数：打开的文件对应的文件描述符
• 第六个参数：4k的整数倍

munmap函数

函数作用

释放由mmap函数建立的存储映射区

函数原型

#include <sys/mman.h>

int munmap(void* addr, size_t length);

函数返回值

• 成功：返回0
• 失败：返回-1，设置errno值

函数参数

• addr：调用mmap函数成功返回的映射区首地址
• length：映射区大小（mmap函数的第二个参数）

注意事项

• 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
• 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)。而MAP_PRIVATE则无所谓，因为mmap中的权限是对内存的限制。
• 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。
• 特别注意，当映射文件大小为0时，不能创建映射区。所以，用于映射的文件必须要有实际大小；mmap使用时常常会出现总线错误，通常是由于共享文件存储空间大小引起的。
• munmap传入的地址一定是mmap的返回地址。坚决杜绝指针++操作。
• 文件偏移量必须为0或者4K的整数倍
• mmap创建映射区出错概率非常高，一定要检查返回值，确保映射区建立成功再进行后续操作。

相关思考题

• 可以open的时候O_CREAT一个新文件来创建映射区吗?
• 如果open时O_RDONLY，mmap时PROT参数指定PROT_READ|PROT_WRITE会怎样？
• mmap映射完成之后，文件描述符关闭，对mmap映射有没有影响？
• 如果文件偏移量为1000会怎样？
• 对mem越界操作会怎样？
• 如果mem++，munmap可否成功？
• mmap什么情况下会调用失败？
• 如果不检测mmap的返回值，会怎样？

练习

对文件的读写操作

先试用 shell 命令创建file1，然后向file1中写入hello五个字符；然后编写程序对 file1 文件建立 5 个字节的内存映射区，并读取映射区的内容，之后将其改为world五个字符。程序运行结束使用 cat 命令验证。

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

void argsCheck(int argc, const char *filename);

int main(int argc, char *argv[]) {
 argsCheck(argc, argv[1]);

 int fd = open(argv[1], O_RDWR);
 char *p = (char *) mmap(NULL, 5, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);

 puts("内存映射区的内容为:");
 for (int i = 0; i < 5; ++i) {
     printf("%c", *(p + i));
 }
 puts("");

 for (int i = 0; i < 5; ++i) {
     sprintf(p, "world");
 }

 munmap(p, 5);
 close(fd);

 return 0;
}

void argsCheck(int argc, const char *filename) {
 if (argc != 2) {
     printf("args error.\n");
     _exit(-1);
 }
 struct stat fileStat;
 int ret = stat(filename, &fileStat);
 if (ret == -1) {
     perror("stat");
     _exit(-1);
 }
 if (fileStat.st_size == 0) {
     printf("If the mapping file size is 0, the mapping area cannot be created.\n");
     _exit(-1);
 }
}

父子进程间通信

图解说明

思路

• 调用mmap函数创建存储映射区，返回映射区首地址ptr
• 调用fork函数创建子进程，子进程也拥有了映射区首地址
• 父子进程可以通过映射区首地址指针ptr完成通信
• 调用munmap函数释放存储映射区

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

int main(int argc, char *argv[]) {
 int fd = open("file1", O_RDWR);
 if (fd == -1) {
     perror("open");
     return -1;
 }
 void *p = mmap(NULL, 4096, PROT_WRITE | PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
 if (fork() == 0) {
     printf("%s\n", (char *) p);
 } else {
     sprintf(p, "Son, can you see my message?");
     wait(NULL);
     munmap(p, 4096);
     close(fd);
 }

 return 0;
}

程序输出：

$ ./mmap1 
Son, can you see my message?

没有血缘关系的进程间通信

思路

• 两个进程都打开相同的文件，然后调用mmap函数建立存储映射区，这样两个进程共享同一个存储映射区。

mmap2_.c

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

int main(int argc, char *argv[]) {
 int fd = open("file2", O_RDWR);
 if (fd == -1) {
     perror("open");
     return -1;
 }
 char *p = mmap(NULL, 4096, PROT_WRITE | PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
 printf("%s", p);
 munmap(p, 4096);
 close(fd);

 return 0;
}

mmap2.c

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

int main(int argc, char *argv[]) {
 int fd = open("file2", O_RDWR);
 if (fd == -1) {
     perror("open");
     return -1;
 }
 char *p = mmap(NULL, 4096, PROT_WRITE | PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);

 sprintf(p, "Hello process, can you see my message?\n");
 munmap(p, 4096);
 close(fd);

 execl("mmap2_", "./mmap2_", NULL);

 return 0;
}

程序输出：

$ gcc mmap2_.c -o mmap2_
$ gcc mmap2.c -o mmap2
$ ./mmap2
Hello process, can you see my message?