lv5 嵌入式开发-8 内存映射

1 内存映射基本使用

1.1 内存映射概念

1.2 内存映射的使用

2 共享内存（古老的 System V IPC）

2.1 基本概念

2.2 共享内存使用步骤

2.3 共享内存使用

掌握：内存映射概念、内存映射使用、内存映射注意事项、了解SYSTEM V 共享内存概念共享内存使用步骤

1 内存映射基本使用

1.1 内存映射概念

共享内存可以通过mmap()映射普通文件，使一个磁盘文件与内存中的一个缓冲区相映射，进程可以像访问普通内存一样对文件进行访问，不必再调用read,write。

mmap的优点

实现了用户空间和内核空间的高效交互方式

进程A与B通过共享内存，可以实现不通过磁盘，而通过内存访问，速度大大增加。

1.2 内存映射的使用

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

功能：创建共享内存映射

函数返回值：成功返回创建的映射区首地址，失败返回MAP_FAILED（ ((void *) -1) ），设置errno值

参数说明：

1 addr：指定要映射的内存地址，一般设置为 NULL 让操作系统自动选择合适的内存地址。

2 length：必须>0。映射地址空间的字节数，它从被映射文件开头 offset 个字节开始算起。

3 prot：指定共享内存的访问权限。可取如下几个值的可选：PROT_READ（可读）, PROT_WRITE（可写）, PROT_EXEC（可执行）, PROT_NONE（不可访问）。

4 flags：由以下几个常值指定：MAP_SHARED（共享的） MAP_PRIVATE（私有的）, MAP_FIXED（表示必须使用 start 参数作为开始地址，如果失败不进行修正），其中，MAP_SHARED , MAP_PRIVATE必选其一，而 MAP_FIXED 则不推荐使用。MAP_ANONYMOUS（匿名映射，用于血缘关系进程间通信）

5 fd：表示要映射的文件句柄。如果匿名映射写-1。

6 offset：表示映射文件的偏移量，一般设置为 0 表示从文件头部开始映射。

示例：写文件

#include <sys/mman.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main(){void *addr;int fd;fd =open("test",O_RDWR);  //如果只读，但是共享内存是读写，那么会报错if(fd<0){perror("open");return 0;}int len = lseek(fd,0,SEEK_END);    //取文件大小addr = mmap(NULL,2048, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);if(addr == MAP_FAILED){perror("mmap");return 0;}close(fd);int i=0;while(i<2048){memcpy((addr+i),"a",1);i++;sleep(1);}    printf("read=%s\n",(char*)(addr));}

示例：读文件

#include <sys/mman.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>int main(){void *addr;int fd;fd =open("test",O_RDWR);if(fd<0){perror("open");return 0;}int len = lseek(fd,0,SEEK_END);    addr = mmap(NULL,2048, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);if(addr == MAP_FAILED){perror("mmap");return 0;}close(fd);
//    memcpy((addr),"99999999999999",15);while(1){printf("read=%s\n",(char*)(addr));sleep(1);}}

同时运行写、读程序，实现进程间通信

内存映射注意事项(重点）

创建映射区的过程中，隐含着一次对映射文件的读操作，将文件内容读取到映射区。（如上示例printf）
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)，如果不满足报非法参数（Invalid argument）错误。
当MAP_PRIVATE时候，mmap中的权限是对内存的限制，只需要文件有读权限即可，操作只在内存有效，不会写到物理磁盘，且不能在进程间共享。（可读内存，不可写入磁盘）
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。（示例中close关闭文件，可读可写）
用于映射的文件大小必须>0，当映射文件大小为0时，指定非0大小创建映射区，访问映射地址会报总线错误，指定0大小创建映射区，报非法参数错误（Invalid argument）（打几个空格，能分配几个空间）。
文件偏移量必须为0或者4K的整数倍（不是会报非法参数Invalid argument错误，1页大小正好是4K）.
映射大小可以大于文件大小，但只能访问文件page的内存地址，否则报总线错误，超出映射的内存大小报段错误。（假如文件大小4999，实际分配了8191字节大小刚好两页，不能超；假如文件大小37字节，申请了5k，但也实际只能访问4k，总之一定要在文件大小的合理页范围）。
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。

释放内存映射

munmap函数int munmap(void *addr, size_t length);

返回值：成功返回0，失败返回-1，并设置errno值。

函数参数：

addr：调用mmap函数成功返回的映射区首地址

length：映射区大小（即：mmap函数的第二个参数）

示例：匿名映射

#include <sys/mman.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/wait.h>int main(){void *addr;//参数MAP_ANONYMOUS -1 addr = mmap(NULL,2048, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);if(addr == MAP_FAILED){perror("mmap");return 0;}pid_t pid;pid = fork();if(pid<0){perror("fork");return 0;}else if(pid>0){memcpy(addr,"1234567890",10);//sleep(10);//增加一个时间差的作用，避免同时，如果加了wait回收子进程，是阻塞函数可以不需要sleepwait(NULL); //回收子进程}else {sleep(1);printf("read father val=%s\n",(char *)addr);}munmap(addr,2048); //释放}

2 共享内存（古老的 System V IPC）

2.1 基本概念

IPC 对象包含：共享内存、消息队列（过时）和信号灯集（过时）

每个IPC对象有唯一的ID 用Key关联

IPC对象创建后一直存在，直到被显式地删除

ipcs / ipcrm

共享内存

共享内存是一种最为高效的进程间通信方式，进程可以直接读写内存，而不需要任何数据的拷贝
共享内存在内核空间创建，可被进程映射到用户空间访问，使用灵活
由于多个进程可同时访问共享内存，因此需要同步和互斥机制配合使用

2.2 共享内存使用步骤

生成key

创建/打开共享内存映射共享内存，即把指定的共享内存映射到进程的地址空间用于访问

读写共享内存

撤销共享内存映射

删除共享内存对象

2.3 共享内存使用

System V IPC - key

System V IPC – ftok （非必须，通过两个参数拼接可以实现唯一）

#include  <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
key_t  ftok(const char *path,  int proj_id);

成功时返回合法的key值，失败时返回EOF
path 存在且可访问的文件的路径（文件的节点号）
proj_id 用于生成key的数字，范围1-255。

共享内存创建 – shmget

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, int size, int shmflg);

成功时返回共享内存的id，失败时返回EOF
key 和共享内存关联的key，IPC_PRIVATE 或 ftok生成
shmflg 共享内存标志位 IPC_CREAT|0666

共享内存映射 – shmat

 #include <sys/ipc.h>#include <sys/shm.h>void  *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

成功时返回映射后的地址，失败时返回(void *)-1
shmid 要映射的共享内存id shmaddr
映射后的地址， NULL表示由系统自动映射
shmflg 标志位 0表示可读写；SHM_RDONLY表示只读

示例

通过指针访问共享内存，指针类型取决于共享内存中存放的数据类型例如：在共享内存中存放键盘输入的字符串

共享内存撤销映射 – shmdt

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int  shmdt(void *shmaddr);

成功时返回0，失败时返回EOF
不使用共享内存时应撤销映射
进程结束时自动撤销

共享内存控制 – shmctl

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int  shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

成功时返回0，失败时返回EOF
shmid 要操作的共享内存的id
cmd 要执行的操作 IPC_STAT IPC_SET IPC_RMID
buf 保存或设置共享内存属性的地址

共享内存 - 注意事项

每块共享内存大小有限制

查看共享内存命令

  ipcs  -lcat  /proc/sys/kernel/shmmax

示例

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>int main(){key_t key;int shmid;char *buf;//1.创建keykey = ftok("keytest",100);if(key<0){perror("ftok");return 0;}printf("key=%x\n",key);//2.创建共享内存shmid = shmget(key,512,IPC_CREAT|0666);if(shmid<0){perror("shmget");return 0;}printf("shmid=%d\n",shmid);//3.映射共享内存buf = shmat(shmid,NULL,0);if(buf<0){perror("shmat");return 0;}    //拷贝strcpy(buf,"hello world");}

示例2 写共享内存

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>int main(){key_t key;int shmid;char *buf;key = ftok("keytest",100);if(key<0){perror("ftok");return 0;}printf("key=%x\n",key);shmid = shmget(key,512,IPC_CREAT|0666);if(shmid<0){perror("shmget");return 0;}printf("shmid=%d\n",shmid);buf = shmat(shmid,NULL,0);if(buf<0){perror("shmat");return 0;}    strcpy(buf,"hello world");}

示例3 读共享内存

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>int main(){key_t key;int shmid;char *buf;key = ftok("keytest",100);if(key<0){perror("ftok");return 0;}printf("key=%x\n",key);shmid = shmget(key,512,0666);//不需要CREATEif(shmid<0){perror("shmget");return 0;}    printf("shmid=%d\n",shmid);buf = shmat(shmid,NULL,0);if(buf<0){perror("shmat");return 0;}    
//    strcpy(buf,"hello world");printf("share mem=%s\n",buf);while(1){sleep(1);}    //4.共享内存撤销映射shmdt(buf);//5.共享内存删除，防止内存泄漏shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);//    printf("detach mem=%s\n",buf);}

删除后

未删除启动两个的状态值为2，没法撤销了，使用时候需要注意

共享内存删除的时间点

添加删除标记

nattach 变成0时真正删除

3 共享内存与管道区别

共享内存和管道是进程间通信的两种机制，它们有以下区别：

数据结构：共享内存是一块被多个进程共享的内存区域，进程可以直接读写这块内存；而管道是通过内核中的缓冲区来传递数据。
通信方式：共享内存提供了一种高效的内存共享方式，进程可以直接在共享内存中读写数据，因此速度较快；而管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，需要两个管道才能实现双向通信。
同步机制：在使用共享内存进行通信时，进程需要使用一些同步机制（如信号量、互斥锁等）来确保多个进程之间对共享内存的访问不会产生冲突；而在管道中，由于数据流是单向的，多个进程之间通常不会发生冲突。
编程复杂性：共享内存在编程上相对较为复杂，需要注意进程间的同步与互斥；而管道在编程上较为简单，但由于数据流是单向的，双向通信需要使用两个管道。

综上所述，共享内存适用于需要高效共享大量数据的场景，但需要考虑同步与互斥问题；而管道适用于简单的进程间通信，但数据流是单向的。选择合适的通信机制需要根据具体的应用场景和需求来决定。

4 练习

实现两个进程使用内存映射通信程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>int main(int argc,char *argv[])
{pid_t pid;void *addr;int len;addr = mmap(NULL, 2048, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);if(addr == MAP_FAILED){perror("mmap");return 0;}pid = fork();if(pid < 0){perror("fork");return 0;}else if( pid > 0){printf("This is father process\n");memcpy(addr, "father write", 12);wait(NULL);}else //( pid == 0){printf("This is child process\n");sleep(1);printf("child recv:%s\n",(char *)addr);}munmap(addr,2048);return 0;
}//运行结果
linux@linux:~/Desktop$ ./mmap_test 
This is father process
This is child process
child recv:father write