【操作系统】Linux 共享内存和内存映射
共享内存
通过共享内存，能够实现进程间通信，它的好处是不用像管道那样需要往内核缓冲区读写数据，更加快速，缺点是需要一个同步机制保证多进程对共享内存访问的一致性。Linux下提供共享内存的接口如下：
#include <sys/shm.h>
int
shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
- key 用来关联共享内存，进程通过它来定位同一段共享内存；
- size 是共享内存分配大小，实际上是页的整数倍；
- shmflag 指定获取方式（是否已经创建）和共享内存的权限。
下面给出一个简单的使用例子，只有一个写者和一个读者，所以忽略进程间同步：
// writer.c
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#define SHM_KEY 0x1234
int main(int argc, char** argv) {
int shmid;
char* shmp;
char* message = "shared memory here!\n";
shmid = shmget(SHM_KEY, 1024, IPC_CREAT | S_IRUSR | S_IWUSR);
if (shmid == -1) {
perror("shmget error!");
exit(1);
}
shmp = shmat(shmid, NULL, 0);
if (shmp == (void*) - 1) {
perror("shmat error!");
exit(-1);
}
strncpy(shmp, message, strlen(message));
sleep(30);
}
// reader.c
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#define SHM_KEY 0x1234
int main(int argc, char** argv) {
int shmid;
char* shmp;
char buffer[1024];
shmid = shmget(SHM_KEY, 0, 0);
if (shmid == -1) {
perror("shmget error!");
exit(1);
}
shmp = (char*)shmat(shmid, NULL, SHM_RDONLY);
if (shmp == (char*) - 1) {
perror("shmat error!");
exit(-1);
}
strncpy(buffer, shmp, 20);
buffer[20] = '\0';
printf("%s\n", buffer);
}
写者分配并attach一段共享内存，读者读取这一段共享内存并打印。可以通过proc(5)查看到分配的共享内存：
$ cat /proc/PID/maps
我的Linux机器上看到的内容如下：
556ca2add000-556ca2ade000 r-xp 00000000 08:11 237830147 /data/chao/shmandmmap/writer
556ca2cdd000-556ca2cde000 r--p 00000000 08:11 237830147 /data/chao/shmandmmap/writer
556ca2cde000-556ca2cdf000 rw-p 00001000 08:11 237830147 /data/chao/shmandmmap/writer
7f23d0911000-7f23d0af8000 r-xp 00000000 08:03 23731778 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so
7f23d0af8000-7f23d0cf8000 ---p 001e7000 08:03 23731778 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so
7f23d0cf8000-7f23d0cfc000 r--p 001e7000 08:03 23731778 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so
7f23d0cfc000-7f23d0cfe000 rw-p 001eb000 08:03 23731778 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so
7f23d0cfe000-7f23d0d02000 rw-p 00000000 00:00 0
7f23d0d02000-7f23d0d2b000 r-xp 00000000 08:03 23731763 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.27.so
7f23d0f28000-7f23d0f29000 rw-s 00000000 00:01 4 /SYSV00001235 (deleted) // shared memory
7f23d0f29000-7f23d0f2b000 rw-p 00000000 00:00 0
7f23d0f2b000-7f23d0f2c000 r--p 00029000 08:03 23731763 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.27.so
7f23d0f2c000-7f23d0f2d000 rw-p 0002a000 08:03 23731763 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.27.so
7f23d0f2d000-7f23d0f2e000 rw-p 00000000 00:00 0
7ffc71de5000-7ffc71e06000 rw-p 00000000 00:00 0 [stack]
7ffc71ead000-7ffc71eb0000 r--p 00000000 00:00 0 [vvar]
7ffc71eb0000-7ffc71eb1000 r-xp 00000000 00:00 0 [vdso]
ffffffffff600000-ffffffffff601000 --xp 00000000 00:00 0 [vsyscall]
可以看到，写者进程确实含有一段内存（中间被注释的一行），它的位置在堆和栈之间，很合理。
内存映射
内存映射分为文件映射和匿名映射。本质上就是把一个文件（或虚拟文件）映射到内存中，达到初始化一段内存（私有映射，不会修改实际文件）或者进程间共享这段内存（共享映射，会实际修改对应文件）。
一个典型的共享映射示意图如下：
Linux的接口声明如下：
#include <sys/mman.h>
void *
mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
- addr用来指定映射到内存哪儿，如果是NULL就交给内核指定；
- len 是映射文件的实际大小；
- prot 是映射到内存区域的权限；
- flags 用来指定私有映射还是共享映射；
- fd 是映射文件的文件描述符；
- offset 是文件偏移量
下面写一个简单的共享映射的例子，其他情况也类似：
//
// shell:
// echo 'memory map me' > mmap.txt
//
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/mman.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
int main(int argc, char** argv) {
int fd;
char* addr;
char buffer[1024] = {'\0'};
char buffer2[1024] = {'\0'};
char* messege = "txt changed!\n";
struct stat sb;
fd = open("mmap.txt", O_RDWR);
if (fd == -1) {
perror("shmget error!");
exit(1);
}
if (fstat(fd, &sb) == -1) {
perror("shmget error!");
exit(1);
}
addr = mmap(NULL, sb.st_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
if (addr == MAP_FAILED) {
perror("mmap error!");
exit(1);
}
strncpy(buffer, addr, sb.st_size);
printf("read from mem: %s", buffer);
// change memory mapped
strncpy(addr, messege, strlen(messege));
read(fd, buffer2, strlen(messege));
printf("read from mem: %s", buffer2);
}
运行结果如下：
read from mem: memory map me
read from mem: txt changed!
进程的内存分布如下：
5613be2ab000-5613be2ac000 r-xp 00000000 08:11 237830152 /data/chao/shmandmmap/mmap
5613be4ac000-5613be4ad000 r--p 00001000 08:11 237830152 /data/chao/shmandmmap/mmap
5613be4ad000-5613be4ae000 rw-p 00002000 08:11 237830152 /data/chao/shmandmmap/mmap
5613bf54c000-5613bf56d000 rw-p 00000000 00:00 0 [heap]
7f9fe30e8000-7f9fe32cf000 r-xp 00000000 08:03 23731778 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so
7f9fe32cf000-7f9fe34cf000 ---p 001e7000 08:03 23731778 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so
7f9fe34cf000-7f9fe34d3000 r--p 001e7000 08:03 23731778 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so
7f9fe34d3000-7f9fe34d5000 rw-p 001eb000 08:03 23731778 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so
7f9fe34d5000-7f9fe34d9000 rw-p 00000000 00:00 0
7f9fe34d9000-7f9fe3502000 r-xp 00000000 08:03 23731763 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.27.so
7f9fe36ff000-7f9fe3700000 rw-s 00000000 08:11 237830150 /data/chao/shmandmmap/mmap.txt
7f9fe3700000-7f9fe3702000 rw-p 00000000 00:00 0
7f9fe3702000-7f9fe3703000 r--p 00029000 08:03 23731763 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.27.so
7f9fe3703000-7f9fe3704000 rw-p 0002a000 08:03 23731763 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.27.so
7f9fe3704000-7f9fe3705000 rw-p 00000000 00:00 0
7fffb9fc5000-7fffb9fe6000 rw-p 00000000 00:00 0 [stack]
7fffb9ffa000-7fffb9ffd000 r--p 00000000 00:00 0 [vvar]
7fffb9ffd000-7fffb9ffe000 r-xp 00000000 00:00 0 [vdso]
ffffffffff600000-ffffffffff601000 --xp 00000000 00:00 0 [vsyscall]
可以看到中间我们映射的mmap.txt文件在堆和栈的内存之间，从左至右可以看到每段内存的地址范围、权限、偏移量、设备号（主：次）、inode、其他标签，proc(5)用起来真是方便。