采用共享内存通信的一个显而易见的好处是效率高, 因为进程可以直接读写内存, 而不需要 任何数据的拷贝。 对于像管道和消息队列等通信方式, 则需要在内核和用户空间进行四次的 数据拷贝,而共享内存则只拷贝两次数据[1]:一次从输入文件到共享内存区,另一次从共 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,直到通信完毕为止,这 样,数据内容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是非常高的。 Linux 的 2.2.x 内核支持多种共享内存方式,如 mmap()系统调用,Posix 共享内存,以及系 统 V 共享内存。linux 发行版本如 Redhat 8.0 支持 mmap()系统调用及系统 V 共享内存,但 还没实现 Posix 共享内存, 本文将主要介绍 mmap()系统调用及系统 V 共享内存 API 的原理 及应用。 一、内核怎样保证各个进程寻址到同一个共享内存区域的内 存页面 1、page cache 及 swap cache 中页面的区分:一个被访问文件的物理页面都驻留在 page cache 或 swap cache 中,一个页面的所有信息由 struct page 来描述。struct page 中有一 个域为指针 mapping ,它指向一个 struct address_space 类型结构。page cache 或 swap cache 中的所有页面就是根据 address_space 结构以及一个偏移量来区分的。 2、文件与 address_space 结构的对应:一个具体的文件在打开后,内核会在内存中为之建 立一个 struct inode 结构,其中的 i_mapping 域指向一个 address_space 结构。这样,一 个文件就对应一个 address_space 结构,一个 address_space 与一个偏移量能够确定一个 page cache 或 swap cache 中的一个页面。因此,当要寻址某个数据时,很容易根据给定 的文件及数据在文件内的偏移量而找到相应的页面。 3、进程调用 mmap()时,只是在进程空间内新增了一块相应大小的缓冲区,并设置了相应 的访问标识,但并没有建立进程空间到物理页面的映射。因此,第一次访问该空间时,会引 发一个缺页异常。 4、对于共享内存映射情况,缺页异常处理程序首先在 swap cache 中寻找目标页(符合 address_space 以及偏移量的物理页),如果找到,则直接返回地址;如果没有找到,则判 断该页是否在交换区(swap area),如果在,则执行一个换入操作;如果上述两种情况都不 满足,处理程序将分配新的物理页面,并把它插入到 page cache 中。进程最终将更新进程 页表。 注:对于映射普通文件情况(非共享映射),缺页异常处理程序首先会在 page cache 中根 据 address_space 以及数据偏移量寻找相应的页面。如果没有找到,则说明文件数据还没 有读入内存,处理程序会从磁盘读入相应的页面,并返回相应地址,同时,进程页表也会更 新。 5、所有进程在映射同一个共享内存区域时,情况都一样,在建立线性地址与物理地址之间 的映射之后, 不论进程各自的返回地址如何, 实际访问的必然是同一个共享内存区域对应的 物理页面。 注:一个共享内存区域可以看作是特殊文件系统 shm 中的一个文件,shm 的安装点在交换 区上。 上面涉及到了一些数据结构,围绕数据结构理解问题会容易一些。 回页首 二、mmap()及其相关系统调用 mmap()系统调用使得进程之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。 注: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,进程可以像读写内存一样对普通文件的操作。而 Posix 或系 统 V 的共享内存 IPC 则纯粹用于共享目的, 当然 mmap()实现共享内存也是其主要应用之一。 1、mmap()系统调用形式如下: void* mmap ( void * addr , size_t len , int prot , int flags , int fd , off_t offset ) 参数 fd 为即将映射到进程空间的文件描述字, 一般由 open()返回, 同时, 可以指定为-1, fd 此时须指定 flags 参数中的 MAP_ANON,表明进行的是匿名映射(不涉及具体的文件名, 避免了文件的创建及打开,很显然只能用于具有亲缘关系的进程间通信)。len 是映射到调 用进程地址空间的字节数,它从被映射文件开头 offset 个字节开始算起。prot 参数指定共 享内存的访问权限。可取如下几个值的或:PROT_READ(可读) , PROT_WRITE (可 写), PROT_EXEC (可执行), PROT_NONE(不可访问)。flags 由以下几个常值指定: MAP_SHARED , MAP_PRIVATE , MAP_FIXED,其中,MAP_SHARED , MAP_PRIVATE 必选其一, MAP_FIXED 则不推荐使用。 而 offset 参数一般设为 0, 表示从文件头开始映射。 参数 addr 指定文件应被映射到进程空间的起始地址,一般被指定一个空指针,此时选择起 始地址的任务留给内核来完成。 函数的返回值为最后文件映射到进程空间的地址, 进程可直 接操作起始地址为该值的有效地址。 这里不再详细介绍 mmap()的参数, 读者可参考 mmap() 手册页获得进一步的信息。 2、系统调用 mmap()用于共享内存的两种方式: (1)使用普通文件提供的内存映射:适用于任何进程之间; 此时,需要打开或创建一个 文件,然后再调用 mmap();典型调用代码如下: fd=open(name, flag, mode); if(fd<0) ... ptr=mmap(NULL, len , PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED , fd , 0); 通过 mmap()实现共享内存的通信方式有许多特点和要注意的地方,我们将在范例中进行具体说 明。 (2)使用特殊文件提供匿名内存映射:适用于具有亲缘关系的进程之间; 由于父子进程 特殊的亲缘关系,在父进程中先调用 mmap(),然后调用 fork()。那么在调用 fork()之后,子 进程继承父进程匿名映射后的地址空间,同样也继承 mmap()返回的地址,这样,父子进程 就可以通过映射区域进行通信了。注意,这里不是一般的继承关系。一般来说,子进程单独 维护从父进程继承下来的一些变量。而 mmap()返回的地址,却由父子进程共同维护。 对于具有亲缘关系的进程实现共享内存最好的方式应该是采用匿名内存映射的方式。此时, 不必指定具体的文件,只要设置相应的标志即可,参见范例 2。 3、系统调用 munmap() int munmap( void * addr, size_t len ) 该调用在进程地址空间中解除一个映射关系,addr 是调用 mmap()时返回的地址,len 是映 射区的大小。当映射关系解除后,对原来映射地址的访问将导致段错误发生。 4、系统调用 msync() int msync ( void * addr , size_t len, int flags) 一般说来,进程在映射空间的对共享内容的改变并不直接写回到磁盘文件中,往往在调用 munmap()后才执行该操作。可以通过调用 msync()实现磁盘上文件内容与共享内存区的 内容一致。 回页首 三、mmap()范例 下面将给出使用 mmap()的两个范例:范例 1 给出两个进程通过映射普通文件实现共享内存 通信;范例 2 给出父子进程通过匿名映射实现共享内存。系统调用 mmap()有许多有趣的地 方,下面是通过 mmap()映射普通文件实现进程间的通信的范例,我们通过该范例来说明 mmap()实现共享内存的特点及注意事项。 范例 1:两个进程通过映射普通文件实现共享内存通信 范例 1 包含两个子程序:map_normalfile1.c 及 map_normalfile2.c。编译两个程序,可执行 文件分别为 map_normalfile1 及 map_normalfile2。两个程序通过命令行参数指定同一个文 件来实现共享内存方式的进程间通信。map_normalfile2 试图打开命令行参数指定的一个普 通文件,把该文件映射到进程的地址空间,并对映射后的地址空间进行写操作。 map_normalfile1 把命令行参数指定的文件映射到进程地址空间,然后对映射后的地址空间 执行读操作。 这样, 两个进程通过命令行参数指定同一个文件来实现共享内存方式的进程间 通信。 下面是两个程序代码: /*-------------map_normalfile1.c-----------*/ #include #include #include #include typedef struct{ char name[4]; int age; }people; main(int argc, char** argv) // map a normal file as shared mem: { int fd,i; people *p_map; char temp; fd=open(argv[1],O_CREAT|O_RDWR|O_TRUNC,00777); lseek(fd,sizeof(people)*5-1,SEEK_SET); write(fd,"",1); p_map = (people*) mmap( NULL,sizeof(people)*10,PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED,fd,0 ); close( fd ); temp = 'a'; for(i=0; i<10; i++) { temp += 1; memcpy( ( *(p_map+i) ).name, &temp,2 ); ( *(p_map+i) ).age = 20+i; } printf(" initialize over \n "); sleep(10); munmap( p_map, sizeof(people)*10 ); printf( "umap ok \n" ); } /*-------------map_normalfile2.c-----------*/ #include #include #include #include typedef struct{ char name[4]; int age; }people; main(int argc, char** argv) // map a normal file as shared mem: { int fd,i; people *p_map; fd=open( argv[1],O_CREAT|O_RDWR,00777 ); p_map = (people*)mmap(NULL,sizeof(people)*10,PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED,fd,0); for(i = 0;i<10;i++) { printf( "name: %s age %d;\n",(*(p_map+i)).name, (*(p_map+i)).age ); } munmap( p_map,sizeof(people)*10 ); } map_normalfile1.c 首先定义了一个 people 数据结构,在这里采用数据结构的方式是因为, ( 共享内存区的数据往往是有固定格式的, 这由通信的各个进程决定, 采用结构的方式有普遍 代表性)。