【Linux 应用编程】进程管理 - 进程间通信IPC之共享内存 mmap

IPC（InterProcess Communication，进程间通信）是进程中的重要概念。Linux 进程之间常用的通信方式有：

• 文件：简单，低效，需要代码控制同步
• 管道：使用简单，默认阻塞
  • 匿名管道 pipe：只存在于内核缓冲区，只能用于有血缘关系的进程
  • 有名管道 FIFO：在文件系统中存在，可用于无血缘关系的进程
• 信号量：使用复杂，但开销小，操作系统本身支持信号量
• 内存映射区 mmap：进程有无血缘关系都可以
• 本地套接字 socket：稳定可靠

共享内存

通过共享内存，两个不相干的进程可以使用同一段逻辑内存。这块内存通常也是同一段物理内存。每个进程都把这段共享内存连接到自己的地址空间中，直接访问。

共享内存是进程间传递数据的常用方式，非常高效。

共享内存的使用

POSIX 共享内存区的使用包含四个步骤：

• 调用 shm_open 创建一个新的共享内存区对象（或打开一个以存在的共享内存区对象）
• 调用 mmap 把这个共享内存区映射到调用进程的地址空间
• 调用 munmap() 取消共享内存映射
• 调用 shm_unlink()函数删除共享内存段

在编译 POSIX 共享内存应用程序时需要加上 -lrt 参数。

shm_open 函数

shm_open() 函数用来打开或者创建一个共享内存区，两个进程可以通过给 shm_open() 函数传递相同的名字以达到操作同一共享内存的目的。

新建的共享内存区大小默认为 0，需要使用 ftruncate 函数设置大小才能使用。

函数原型：

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);

返回值：

成功返回创建或打开的共享内存描述符（与文件描述符相同作用），失败返回-1。

参数：

• name：创建的共享内存的名称，其它进程可以根据这个名称来打开共享内存
• oflag：以下值的或值：
  • O_RDONLY：共享内存以只读方式打开；
  • O_RDWR：共享内存以可读写方式打开；
  • O_CREAT：共享内存不存在才创建；
  • O_EXCL：如果指定了 O_CREAT，但共享内存已经存在时返回错误；
  • O_TRUNC：如果共享内存已存在则将大小设置为 0；
• 参数 mode 只有指定 O_CREAT 才有效指出，指出共享内存的权限，与 open()函数
  
  类似。

ftruncate 函数

新建的共享内存默认大小为 0，需要设置共享内存大小。ftruncate()函数可用来调整文件或者共享内存的大小。

函数原型：

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
int ftruncate(int fd, off_t length);

函数成功返回 0，失败返回-1。

参数：

• fd：需要调整的共享内存或者文件
• length：大小

mmap 函数

共享内存创建或打开后，是不能在进程内直接使用的。需要先映射到当前进程的地址空间。

函数原型：

#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset);

参数：

• addr：指向映射存储区的起始地址，通常将其设置为 NULL，这表示由系统选择该
  
  映射区的起始地址；
• len：映射的字节数；
• prot：对映射存储区的保护要求，对指定映射存储区的保护要求不能超过文件 open
  
  模式访问权限。它可以为以下值的或值：
  • PROT_READ：映射区可读)；
  • PROT_WRITE：映射区可写；
  • PROT_EXEC：映射区可执行；
  • PROT_NONE：映射区不可访问。
• flag：映射标志位，可为以下值的或值：
  • MAP_FIXED：返回值必须等于 addr。因为这不利于可移植性，所以不鼓励使用此标志；
  • MAP_SHARED：多个进程对同一个文件的映射是共享的，一个进程对映射的
    
    内存做了修改，另一个进程也会看到这种变化；
    
    MAP_PRIVATE：多个进程对同一个文件的映射不是共享的，一个进程对映射
    
    的内存做了修改，另一个进程并不会看到这种变化。
• fd：要被映射的文件描述符或者共享内存描述符；
• offset：要映射字节在文件中的起始偏移量。

munmap 函数

函数原型：

#include <sys/mman.h>
int munmap(void *addr, size_t length);

函数成功返回 0，否则返回-1；

参数：

• addr 为 mmap()函数返回的地址
• length 是映射的字节数。取消映射后再对映射地址访问会导致调用进程收到 SIGSEGV 信号。

shm_unlink 函数

函数原型：

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int shm_unlink(const char *name);

函数成功返回 0，否则返回-1。

示例

两个没有血缘关系的进程，也可以使用共享内存进行进程间通信：