3. 共享存储映射
（1）文件进程间通信
使用文件也可以完成IPC，理论依据是，fork后，父子进程共享文件描述符。也就共享打开的文件。
（2）存储映射IO
存储映射I/O (Memory-mapped I/O) 使一个磁盘文件与存储空间中的一个缓冲区相映射。于是当从缓冲区中取数据，就相当于读文件中的相应字节。于此类似，将数据存入缓冲区，则相应的字节就自动写入文件。这样，就可在不适用read和write函数的情况下，使用地址（指针）完成I/O操作。
使用这种方法，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。
1）mmap函数
void *mmap(void *adrr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
返回：
成功：返回创建的映射区首地址；
失败：MAP_FAILED宏
参数：
addr：建立映射区的首地址，由Linux内核指定。使用时，直接传递NULL
length：欲创建映射区的大小
prot： 映射区权限PROT_READ、PROT_WRITE、PROT_READ|PROT_WRITE
flags：标志位参数(常用于设定更新物理区域、设置共享、创建匿名映射区)
MAP_SHARED: 会将映射区所做的操作反映到物理设备（磁盘）上。
MAP_PRIVATE: 映射区所做的修改不会反映到物理设备。
fd：用来建立映射区的文件描述符
offset：映射文件的偏移(4k的整数倍)
2）munmap函数
同malloc函数申请内存空间类似的，mmap建立的映射区在使用结束后也应调用类似free的函数来释放。
int munmap(void *addr, size_t length); 成功：0； 失败：-1
mmap.c
1 #include 2 #include 3 #include 4 #include 5 #include 6 #include 7 #include 8 9 int main() 10 { 11 int fd = open("mem.txt",O_RDWR);//创建并且截断文件 12 //int fd = open("mem.txt",O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,0664);//创建并且截断文件 13 14 ftruncate(fd,8); 15 //创建映射区 16 char *mem = mmap(NULL,20,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0); 17 //char *mem = mmap(NULL,8,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_PRIVATE,fd,0); 18 19 if(mem == MAP_FAILED){ 20 perror("mmap err"); 21 return -1; 22 } 23 close(fd); 24 //拷贝数据 25 strcpy(mem,"helloworld"); 26 // mem++; 27 //释放mmap 28 printf("mem = %s\n", mem); 29 30 if(munmap(mem,20) < 0){ 31 perror("munmap err"); 32 } 33 return 0; 34 }
执行结果：
执行mmap_size之前，mem.txt大小为30，代码中 ftruncate(fd,8); 将文件截断为8个字节大小，共享映射为20个字节，虽然文件大小（8） < 映射区大小（20），映射区可以存储helloworld（10），同时修改文件mem.txt内容。
[root@centos 09-linux-day06]# cat mem.txt ***************************** [root@centos 09-linux-day06]# ./mmap_size mem = helloworld [root@centos 09-linux-day06]# cat mem.txt hellowor
借鉴malloc和free函数原型，尝试装自定义函数smalloc，sfree来完成映射区的建立和释放。思考函数接口该如何设计？
mmap九问：
1. 如果更改mem变量的地址，释放的时候munmap，传入mem还能成功吗？ 不能！！
2. 如果对mem越界操作会怎么样？ 文件的大小对映射区操作有影响，尽量避免。
3. 如果文件偏移量随便填个数会怎么样？ offset必须是 4k的整数倍
4 如果文件描述符先关闭，对mmap映射有没有影响？没有影响
5. open的时候，可以新创建一个文件来创建映射区吗？不可以用大小为0的文件
6. open文件选择O_WRONLY，可以吗？ 不可以： Permission denied
7. 当选择MAP_SHARED的时候，open文件选择O_RDONLY，prot可以选择PROT_READ|PROT_WRITE吗？Permission denied ，SHARED的时候，映射区的权限 <= open文件的权限
8. mmap什么情况下会报错？很多情况
9. 如果不判断返回值会怎么样？ 会死的很难堪！！
总结：使用mmap时务必注意以下事项：
1. 创建映射区的过程中，隐含着一次对映射文件的读操作。
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)。而MAP_PRIVATE则无所谓，因为mmap中的权限是对内存的限制。
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. 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。
5. munmap传入的地址一定是mmap的返回地址。坚决杜绝指针++操作。
6. 文件偏移量必须为4K的整数倍
7. 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。
（3）mmap父子进程间通信
父子等有血缘关系的进程之间也可以通过mmap建立的映射区来完成数据通信。但相应的要在创建映射区的时候指定对应的标志位参数flags：
MAP_PRIVATE: (私有映射) 父子进程各自独占映射区；
MAP_SHARED: (共享映射) 父子进程共享映射区；
练习：父进程创建映射区，然后fork子进程，子进程修改映射区内容，而后，父进程读取映射区内容，查验是否共享。
父子进程共享映射区
1 #include 2 #include 3 #include 4 #include 5 #include 6 #include 7 #include 8 9 int main() 10 { 11 // 先创建映射区 12 int fd = open("mem.txt",O_RDWR); 13 int *mem = mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); 14 //int *mem = mmap(NULL,4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, 0); 15 if(mem == MAP_FAILED){ 16 perror("mmap err"); 17 return -1; 18 } 19 // fork子进程 20 pid_t pid = fork(); 21 22 // 父进程和子进程交替修改数据 23 if(pid == 0 ){ 24 //son 25 *mem = 100; 26 printf("child,*mem = %d\n",*mem); 27 sleep(3); 28 printf("child,*mem = %d\n",*mem); 29 } 30 else if(pid > 0){ 31 //parent 32 sleep(1); 33 printf("parent,*mem=%d\n",*mem); 34 *mem = 1001; 35 printf("parent,*mem=%d\n",*mem); 36 wait(NULL); 37 } 38 39 munmap(mem,4); 40 close(fd); 41 42 return 0; 43 }
结论：父子进程共享：1. 打开的文件 2. mmap建立的映射区(但必须要使用MAP_SHARED)
（4）匿名映射
通过使用我们发现，使用映射区来完成文件读写操作十分方便，父子进程间通信也较容易。但缺陷是，每次创建映射区一定要依赖一个文件才能实现。通常为了建立映射区要open一个temp文件，创建好了再unlink、close掉，比较麻烦。 可以直接使用匿名映射来代替。其实Linux系统给我们提供了创建匿名映射区的方法，无需依赖一个文件即可创建映射区。同样需要借助标志位参数flags来指定。
使用MAP_ANONYMOUS (或MAP_ANON)， 如:
int *p = mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
需注意的是，MAP_ANONYMOUS和MAP_ANON这两个宏是Linux操作系统特有的宏。在类Unix系统中如无该宏定义，可使用如下两步来完成匿名映射区的建立。
1）fd = open("/dev/zero", O_RDWR);
2）p = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MMAP_SHARED, fd, 0);
mmap_anon.c
1 #include 2 #include 3 #include 4 #include 5 #include 6 #include 7 #include 8 9 int main() 10 { 11 int *mem = mmap(NULL,4,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANON,-1,0); 12 13 if(mem == MAP_FAILED){ 14 perror("mmap err"); 15 return -1; 16 } 17 18 pid_t pid = fork(); 19 20 if(pid == 0 ){ 21 //son 22 *mem = 100; 23 printf("child,*mem=%d\n",*mem); 24 sleep(3); 25 printf("child,*mem=%d\n",*mem); 26 }else if(pid > 0){ 27 //parent 28 sleep(1); 29 printf("parent,*mem=%d\n",*mem); 30 *mem = 200; 31 printf("parent,*mem=%d\n",*mem); 32 wait(NULL); 33 } 34 35 munmap(mem,4); 36 37 return 0; 38 }
（5）mmap无血缘关系进程间通信
实质上mmap是内核借助文件帮我们创建了一个映射区，多个进程之间利用该映射区完成数据传递。由于内核空间多进程共享，因此无血缘关系的进程间也可以使用mmap来完成通信。只要设置相应的标志位参数flags即可。若想实现共享，当然应该使用MAP_SHARED了。
mmap_w.c
1 #include 2 #include 3 #include 4 #include 5 #include 6 #include 7 #include 8 9 typedef struct _Student{ 10 int sid; 11 char sname[20]; 12 }Student; 13 14 int main(int argc,char *argv[]) 15 { 16 if(argc != 2){ 17 printf("./a.out filename\n"); 18 return -1; 19 } 20 21 // 1. open file 22 int fd = open(argv[1],O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,0666); 23 int length = sizeof(Student); 24 25 ftruncate(fd,length); 26 27 // 2. mmap 28 Student * stu = mmap(NULL,length,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0); 29 30 if(stu == MAP_FAILED){ 31 perror("mmap err"); 32 return -1; 33 } 34 int num = 1; 35 // 3. 修改内存数据 36 while(1){ 37 stu->sid = num; 38 sprintf(stu->sname,"from mmap write-%03d",num++); 39 sleep(1);//相当于没隔1s修改一次映射区的内容 40 } 41 // 4. 释放映射区和关闭文件描述符 42 munmap(stu,length); 43 close(fd); 44 45 return 0; 46 }
mmap_r.c
1 #include 2 #include 3 #include 4 #include 5 #include 6 #include 7 #include 8 9 typedef struct _Student{ 10 int sid; 11 char sname[20]; 12 }Student; 13 14 int main(int argc,char *argv[]) 15 { 16 //open file 17 int fd = open(argv[1],O_RDWR); 18 //mmap 19 int length = sizeof(Student); 20 Student *stu = mmap(NULL,length,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0); 21 if(stu == MAP_FAILED){ 22 perror("mmap err"); 23 return -1; 24 } 25 //read data 26 while(1){ 27 printf("sid=%d,sname=%s\n",stu->sid,stu->sname); 28 sleep(1); 29 } 30 //close and munmap 31 munmap(stu,length); 32 close(fd); 33 return 0; 34 }
练习：
1.通过命名管道传输数据，进程A和进程B，进程A将一个文件（MP3）发送给进程B？
2.实现多进程拷贝文件？
实现思路：
代码实现：
多进程文件拷贝
1 #include 2 #include 3 #include 4 #include 5 #include 6 #include 7 #include 8 #include 9 10 int main(int argc, char *argv[]) 11 { 12 //拷贝文件起的进程数，通过参数输入，默认是5个 13 int n = 5; 14 //输入参数至少是3，第4个参数是进程个数 15 if (argc < 3) 16 { 17 printf("./a.out src dst [n]\n"); 18 return -1; 19 } 20 if (argc == 4) 21 { 22 n = atoi(argv[3]); 23 } 24 25 //打开源文件 26 int srcfd = open(argv[1], O_RDONLY); 27 if (srcfd < 0) 28 { 29 perror("open src err:"); 30 exit(1); 31 } 32 33 //打开目标文件 34 int dstfd = open(argv[2], O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0644); 35 if (dstfd < 0) 36 { 37 perror("open dst err:"); 38 exit(1); 39 } 40 41 //目标拓展，从源文件获得文件大小，stat 42 struct stat sb; 43 stat(argv[1], &sb); 44 //将目标文件设置为和源文件大小相同 45 int len = sb.st_size; 46 truncate(argv[2], len); 47 48 //将源文件映射到缓冲区 49 char *psrc = mmap(NULL, len, PROT_READ, MAP_SHARED, srcfd, 0); 50 if (psrc == MAP_FAILED) 51 { 52 perror("mmap src err:"); 53 exit(1); 54 } 55 56 //将目标文件映射 57 char *pdst = mmap(NULL, len, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, dstfd, 0); 58 if (pdst == MAP_FAILED) 59 { 60 perror("mmap pdst err:"); 61 exit(1); 62 } 63 //创建多个子进程 64 int i = 0; 65 for (i = 0; i < n; i++) 66 { 67 if (fork() == 0) 68 { 69 break; 70 } 71 } 72 //计算子进程需要拷贝的起点大小 73 int cpsize = len/n; 74 int mod = len%n; 75 //数据拷贝，memcpy 76 if (i < n) 77 { 78 //最后一个子进程 79 if (i == n-1) 80 { 81 memcpy(pdst+i*cpsize, psrc+i*cpsize, cpsize+mod); 82 } 83 else 84 { 85 memcpy(pdst+i*cpsize, psrc+i*cpsize, cpsize); 86 } 87 } 88 else 89 { 90 for (i = 0; i < n; i++) 91 { 92 //回收子线程 93 wait(NULL); 94 } 95 } 96 //释放映射区 97 if (munmap(psrc, len) < 0) 98 { 99 perror("munmap src err:"); 100 exit(1); 101 } 102 103 if (munmap(pdst, len) < 0) 104 { 105 perror("munmap dst err:"); 106 exit(1); 107 } 108 109 //关闭文件 110 close(srcfd); 111 close(dstfd); 112 113 return 0; 114 }
Linux 任务调度
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