linux内存管理——mmap函数详解

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所属分类:linux

摘要: mmap函数是unix/linux下的系统调用。 当存在客户服务程序中复制文件时候其数据流如下要经历四次数据复制开销很大。

如果采用共享内存的方式那么将大大优化IO操作数据流变成了如下数据只复制两次   映射文件或设备到内存中取消映射就是munmap函数。

mmap函数是unix/linux下的系统调用。

当存在客户-服务程序中复制文件时候,其数据流如下,要经历四次数据复制,开销很大。

linux内存管理——mmap函数详解

如果采用共享内存的方式,那么将大大优化IO操作,数据流变成了如下,数据只复制两次:

linux内存管理——mmap函数详解

 

映射文件或设备到内存中,取消映射就是munmap函数。

语法如下:

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,

                  int fd, off_t offset);

int munmap(void *addr, size_t length);

该函数主要用途有三个:

l   将普通文件映射到内存中,通常在需要对文件进行频繁读写时使用,用内存读写取代I/O读写,以获得较高的性能;

l   将特殊文件进行匿名内存映射,为关联进程提供共享内存空间;

l   为无关联的进程间的Posix共享内存(SystemV的共享内存操作是shmget/shmat)

我们来看下函数的入参选择:

Ø  参数addr:

指向欲映射的内存起始地址,通常设为 NULL,代表让系统自动选定地址,映射成功后返回该地址。

Ø  参数length:

代表将文件中多大的部分映射到内存。

Ø  参数prot:

映射区域的保护方式。可以为以下几种方式的组合:

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

Ø  参数flags:

影响映射区域的各种特性。在调用mmap()时必须要指定MAP_SHARED 或MAP_PRIVATE。

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。

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”(copy on write)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,其他对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)。

Ø  参数fd:

要映射到内存中的文件描述符。如果使用匿名内存映射时,即flags中设置了MAP_ANONYMOUS,fd设为-1。

Ø  参数offset:

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。如下图内存映射文件的示例。

linux内存管理——mmap函数详解

1.1.1.1  共享映射

修改共享内存中的文件内容:

#include <sys/mman.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#include <error.h>

int

main (int argc, char **argv)

{

  int fd, nread, i;

  struct stat sb;

  char *mapped;

  if ( argc <= 1 )

  {

          printf("%s: Need file path! \n",argv[0]);

          exit(-1);

  }

  /* 打开文件 */

  if ((fd = open (argv[1], O_RDWR)) < 0)

    {

      perror ("open");

    }

  /* 获取文件的属性 */

  if ((fstat (fd, &sb)) == -1)

    {

      perror ("fstat");

    }

  /* 将文件映射至进程的地址空间 */

  if ((mapped = (char *) mmap (NULL, sb.st_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0)) == (void *) -1)

    {

      perror ("mmap");

    }

  /* 映射完后, 关闭文件也可以操纵内存 */

  close (fd);

  printf ("%s", mapped);

  /* 修改一个字符,同步到磁盘文件 */

  mapped[0] = '0';

  if ((msync ((void *) mapped, sb.st_size, MS_SYNC)) == -1)

    {

      perror ("msync");

    }

  /* 释放存储映射区 */

  if ((munmap ((void *) mapped, sb.st_size)) == -1)

    {

      perror ("munmap");

    }

  return 0;

}

            编译后,即可执行,参数为当前目录的一个文件名字。

例如在当前目录下创建一个hello.txt,存入hello单词,然后执行./a.out hello.txt,完毕后发现文件中的第一个字母h变成了0。程序将文件映射到了内存中,并将第一个字符进行了修改并同步到了磁盘文件hello.txt中。

 

1.1.1.2  父子进程通信

使用fork创建进程,父子进程分别往共享内存中写入各自字符串,并读出。

#include <sys/mman.h>

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <unistd.h>

#define BUF_SIZE 100

int

main (int argc, char **argv)

{

  char *p_map;

  /* 匿名映射,创建一块内存供父子进程通信 */

  p_map = (char *) mmap (NULL, BUF_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

  if (fork () == 0)

    {

      sleep (1);

      printf ("child got a message: %s\n", p_map);

      sprintf (p_map, "%s", "from u son");

      munmap (p_map, BUF_SIZE); //实际上,进程终止时,会自动解除映射。

      exit (0);

    }

  sprintf (p_map, "%s", "from u father");

  sleep (2);

  printf ("parent got a message: %s\n", p_map);

  return 0;

}

 

1.1.1.3  内存访问溢出

linux采用的是页式管理机制,使用mmap()映射普通文件后,进程会在自己的地址空间新增一块空间,空间大小由mmap()的len参数指定。但是,进程并不一定能够对全部新增空间都能进行有效访问。进程能够访问的有效地址大小取决于文件被映射部分的大小。决定进程能访问的大小是容纳文件被映射部分的最小页面数。如下图。

linux内存管理——mmap函数详解

#include <sys/mman.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

#include <unistd.h>

#include <stdio.h>

int

main (int argc, char **argv)

{

  int fd, i;

  int pagesize, offset;

  char *p_map;

  struct stat sb;

  /* 取得page size */

  pagesize = sysconf (_SC_PAGESIZE);

  printf ("pagesize is %d\n", pagesize);

  /* 打开文件 */

  fd = open (argv[1], O_RDWR, 00777);

  fstat (fd, &sb);

  printf ("file size is %zd\n", (size_t) sb.st_size);

  offset = 0;

  p_map = (char *) mmap (NULL, pagesize * 2, PROT_READ | PROT_WRITE,

                         MAP_SHARED, fd, offset);

  close (fd);

//  p_map[sb.st_size] = '9';    /* 导致总线错误 */

  p_map[pagesize+1] = '9';      /* 导致段错误 */

  munmap (p_map, pagesize * 2);

  return 0;

}

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