Linux下多任务间通信和同步-mmap共享内存

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1.简介

共享内存可以说是最有用的进程间通信方式.两个不用的进程共享内存的意思是:同一块物理内存被映射到两个进程的各自的进程地址空间.一个进程可以及时看到另一个进程对共享内存的更新,反之亦然.

采用共享内存通信的一个显而易见的好处效率高,因为进程可以直接读写内存,而不需要任何数据的复制.对于向管道和消息队列等通信等方式,则需要在内核和用户空间进行四次的数据复制,而共享内存则只需要两次数据复制:一次从输入文件到共享内存区,另一个从共享内存区到输出文件.实际上,进程之间在共享内存时,并不总是读写少量数据后就解除映射,有新的通信时,再重新建立共享内存区域.而是保持共享区域,知道通信完毕为止,这样,数据内容就一直保存在共享内存中,并没有写回文件.共享内存中的内容往往是在解除映射时才写回文件的.因此,采用共享内存的通信方式效率非常高.

linux从2.2内核开始就支持多种共享内存方式,如mmap系统调用,Posix共享内存,以及System V共享内存.本文主要介绍mmap系统调用的原理及应用.后续的文章会讲解System V共享内存.

2.mmap系统调用

mmap系统调用是的是的进程间通过映射同一个普通文件实现共享内存.普通文件被映射到进程地址空间后,进程可以向像访问普通内存一样对文件进行访问,不必再调用read,write等操作.与mmap系统调用配合使用的系统调用还有munmap,msync等.

实际上,mmap系统调用并不是完全为了用于共享内存而设计的.它本身提供了不同于一般对普通文件的访问方式,是进程可以像读写内存一样对普通文件操作.而Posix或System V的共享内存则是纯粹用于共享内存的,当然mmap实现共享内存也是主要应用之一.

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

• start:映射区的开始地址,设置为0时表示由系统决定映射区的起始地址.
• length:映射区的长度.长度单位是以内存页为单位.
• prot:期望的内存保护标志,不能与文件的打开模式冲突.是以下的某个值,可以通过or运算合理地组合在一起.
• PROT_EXEC //页内容可以被执行
• PROT_READ //页内容可以被读取
• PROT_WRITE //页可以被写入
• PROT_NONE //页不可访问
• flags:指定映射对象的类型,映射选项和映射页是否可以共享.它的值可以是一个或者多个以下位的组合体.
• MAP_FIXED //使用指定的映射起始地址,如果由start和len参数指定的内存区重叠于现存的映射空间,重叠部分将会被丢弃.如果指定的起始地址不可用,操作将会失败.并且起始地址必须落在页的边界上.
• MAP_SHARED //与其它所有映射这个对象的进程共享映射空间.对共享区的写入,相当于输出到文件.直到msync()或者munmap()被调用,文件实际上不会被更新.
• MAP_PRIVATE //建立一个写入时拷贝的私有映射.内存区域的写入不会影响到原文件.这个标志和以上标志是互斥的,只能使用其中一个.
• MAP_DENYWRITE //这个标志被忽略.
• MAP_EXECUTABLE //同上
• MAP_NORESERVE //不要为这个映射保留交换空间.当交换空间被保留,对映射区修改的可能会得到保证.当交换空间不被保留,同时内存不足,对映射区的修改会引起段违例信号.
• MAP_LOCKED //锁定映射区的页面,从而防止页面被交换出内存.
• MAP_GROWSDOWN //用于堆栈,告诉内核VM系统,映射区可以向下扩展.
• MAP_ANONYMOUS //匿名映射,映射区不与任何文件关联.
• MAP_ANON //MAP_ANONYMOUS的别称,不再被使用.
• MAP_FILE //兼容标志,被忽略.
• MAP_32BIT //将映射区放在进程地址空间的低2GB,MAP_FIXED指定时会被忽略.当前这个标志只在x86-64平台上得到支持。
• MAP_POPULATE //为文件映射通过预读的方式准备好页表.随后对映射区的访问不会被页违例阻塞.
• MAP_NONBLOCK //仅和MAP_POPULATE一起使用时才有意义.不执行预读,只为已存在于内存中的页面建立页表入口.
• fd:有效的文件描述词.一般是由open()函数返回,其值也可以设置为-1,此时需要指定flags参数中的MAP_ANON,表明进