目前，进程间通信主要集中在管道和共享内存上使用，共享内存是总所周知的直接对内存映射操作，速度最快的通信方式，缺点，可能就是数据同步没有提供同步机制
共享存储映射
存储映射I/O
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，就可在不使用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。
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)
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
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？
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <fcntl.h> #include <sys/mman.h> void *smalloc(size_t size) { void *p; p = mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANON, -1, 0); if (p == MAP_FAILED) { p = NULL; } return p; } void sfree(void *ptr, size_t size) { munmap(ptr, size); } int main(void) { int *p; pid_t pid; p = smalloc(4); pid = fork(); //创建子进程 if (pid == 0) { *p = 2000; printf("child, *p = %d ", *p); } else { sleep(1); printf("parent, *p = %d ", *p); } sfree(p, 4); return 0; }
mmap注意事项
【mmap.c】
#include <stdio.h> #include <string.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h> #include <sys/mman.h> void sys_err(char *str) { perror(str); exit(1); } int main(void) { char *mem; int len = 0; int fd = open("hello678", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0644); if (fd < 0) sys_err("open error"); len = lseek(fd, 3, SEEK_SET); //获取文件大小,根据文件大小创建映射区 write(fd, " ", 1); //实质性完成文件拓展 len = lseek(fd, 0, SEEK_END); printf("The length of file = %d ", len); mem = mmap(NULL, len, PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, 0); if (mem == MAP_FAILED) //出错判断 sys_err("mmap err: "); close(fd); strcpy(mem, "aaa"); printf("%s ", mem); if (munmap(mem, len) < 0) sys_err("munmap"); return 0; } //思考： //1. 如果mem++，munmap可否成功？ //2. 如果open时O_RDONLY, mmap时PROT参数指定PROT_READ|PROT_WRITE会怎样？ //3. 如果文件偏移量为1000会怎样？ //4. 如果不检测mmap的返回值，会怎样？ //5. mmap什么情况下会调用失败？ //6. 对mem越界操作会怎样？ //7. 文件描述符先关闭，对mmap映射有没有影响？ //8. 可以open的时候O_CREAT一个新文件来创建映射区吗?
思考：
1. 如果mem++，munmap可否成功？
2. 如果open时O_RDONLY, mmap时PROT参数指定PROT_READ|PROT_WRITE会怎样？
3. 如果文件偏移量为1000会怎样？
5. mmap什么情况下会调用失败？
6. 对mem越界操作会怎样？
7. 文件描述符先关闭，对mmap映射有没有影响？
4. 如果不检测mmap的返回值，会怎样？
8. 可以open的时候O_CREAT一个新文件来创建映射区吗?
总结：使用mmap时务必注意以下事项：
- 创建映射区的过程中，隐含着一次对映射文件的读操作。
- 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。
- 如果文件偏移量必须为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。
mmap父子进程通信
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；
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。
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <fcntl.h> #include <sys/mman.h> #include <sys/wait.h> int var = 100; int main(void) { int *p; pid_t pid; int fd; fd = open("temp", O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC, 0644); if(fd < 0){ perror("open error"); exit(1); } unlink("temp"); //删除临时文件目录项,使之具备被释放条件. ftruncate(fd, 4); p = (int *)mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); //p = (int *)mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, 0); if(p == MAP_FAILED){ //注意:不是p == NULL perror("mmap error"); exit(1); } close(fd); //映射区建立完毕,即可关闭文件 pid = fork(); //创建子进程 if(pid == 0){ *p = 2000; var = 1000; printf("child, *p = %d, var = %d ", *p, var); } else { sleep(1); printf("parent, *p = %d, var = %d ", *p, var); wait(NULL); int ret = munmap(p, 4); //释放映射区 if (ret == -1) { perror("munmap error"); exit(1); } } return 0; }
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)
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);
"4"随意举例，该位置表大小，可依实际需要填写。
【fork_map_anon_linux.c】
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <fcntl.h> #include <sys/mman.h> int main(void) { int *p; pid_t pid; int fd = open("/dev/zero", O_RDWR); //p = mmap(NULL, 400, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANON, -1, 0); p = mmap(NULL, 400, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); if(p == MAP_FAILED){ //注意:不是p == NULL perror("mmap error"); exit(1); } close(fd); pid = fork(); //创建子进程 if(pid == 0){ *p = 2000; printf("child, *p = %d ", *p); } else { sleep(1); printf("parent, *p = %d ", *p); } munmap(p, 400); //释放映射区 return 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);
【fork_map_anon.c】
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <fcntl.h> #include <sys/mman.h> int main(void) { int *p; pid_t pid; int fd; fd = open("/dev/zero", O_RDWR); p = mmap(NULL, 400, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE, fd, 0); if(p == MAP_FAILED){ //注意:不是p == NULL perror("mmap error"); exit(1); } pid = fork(); //创建子进程 if(pid == 0){ *p = 2000; printf("child, *p = %d ", *p); } else { sleep(1); printf("parent, *p = %d ", *p); } munmap(p, 4); //释放映射区 return 0; }
结论：
MAP_PRIVATE:在父子进程间通信，映射的区域不能互相访问，或者不能读取父或子写入映射内存地址空间的数据
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。
例：
mmap_r.c
#include <stdio.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h> #include <sys/mman.h> #include <string.h> struct STU { int id; char name[20]; char sex; }; void sys_err(char *str) { perror(str); exit(-1); } int main(int argc, char *argv[]) { int fd; struct STU student; struct STU *mm; if (argc < 2) { printf("./a.out file_shared "); exit(-1); } fd = open(argv[1], O_RDONLY); if (fd == -1) sys_err("open error"); mm = mmap(NULL, sizeof(student), PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0); if (mm == MAP_FAILED) sys_err("mmap error"); close(fd); while (1) { printf("id=%d name=%s %c ", mm->id, mm->name, mm->sex); usleep(10000); } munmap(mm, sizeof(student)); return 0; }
mmap_w.c
#include <stdio.h> #include <sys/stat.h> #include <sys/types.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> #include <stdlib.h> #include <sys/mman.h> #include <string.h> struct STU { int id; char name[20]; char sex; }; void sys_err(char *str) { perror(str); exit(1); } int main(int argc, char *argv[]) { int fd; struct STU student = {10, "xiaoming", 'm'}; char *mm; if (argc < 2) { printf("./a.out file_shared "); exit(-1); } fd = open(argv[1], O_RDWR | O_CREAT, 0664); ftruncate(fd, sizeof(student)); mm = mmap(NULL, sizeof(student), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); if (mm == MAP_FAILED) sys_err("mmap"); close(fd); while (1) { memcpy(mm, &student, sizeof(student)); student.id++; sleep(1); } munmap(mm, sizeof(student)); return 0; }
以上总结了mmap的用法，现在和ipc system V的共享内存比较一下
shm图示例：
（1）通过int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);在物理内存创建一个共享内存，返回共享内存的编号。
（2）通过void *shmat(int shmid, constvoid shmaddr,int shmflg);连接成功后把共享内存区对象映射到调用进程的地址空间
（3）通过void *shmdt(constvoid* shmaddr);断开用户级页表到共享内存的那根箭头。
（4）通过int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds* buf);释放物理内存中的那块共享内存。
总结mmap和shm:
1、mmap是在磁盘上建立一个文件，每个进程地址空间中开辟出一块空间进行映射。
而对于shm而言，shm每个进程最终会映射到同一块物理内存。shm保存在物理内存，这样读写的速度要比磁盘要快，但是存储量不是特别大。
2、相对于shm来说，mmap更加简单，调用更加方便，所以这也是大家都喜欢用的原因。
3、另外mmap有一个好处是当机器重启，因为mmap把文件保存在磁盘上，这个文件还保存了操作系统同步的映像，所以mmap不会丢失，但是shmget就会丢失。
具体的话请看这篇总结：