2、【Linux系统编程】共享内存

共享内存的本质：

　　多个进程访问同一个逻辑内存

　　字节访问内存，不用read()/write()非常方便

1. POSIX 共享内存

1.1分类

（1）分类

注意：共享内存的大小 = 文件大小

（2）匿名内存映射（亲缘进程）

（3）共享内存区对象（非亲缘进程）

1.2 接口

　　头文件： #include <sys/mman.h>

　　库： rt

1.3函数

　　POSIX 共享内存有5个函数。

　　此外，在使用内存映射文件，经常要用到以下两个文件操作函数。

获取文件信息：

int fstat(int fd,struct stat *buf)

参数：

1 fd： 文件描述符
2 　　buf：struct stat
3 　　struct stat
4 　　　　st_mode:  权限
5 　　　　st_size:     大小
6 　　　　st_uid:      属性ID
7 　　　　st_guid:   组ID

返回值：

　　出错： -1 成功： 0

实例：

　　获取共享内存的大小

1 　　　　stat(fd, &stat)
2 　　　　stat.st_size

【示例】

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <unistd.h>
 3 #include <string.h>
 4 #include <sys/stat.h>
 5 #include <sys/types.h>
 6 #include <fcntl.h>
 7 #include <iostream>
 8 using namespace std;
 9 //命令行程序，获取一个文件的大小
10 int main(int argc, char * argv[])
11 {
12     int fd = open(argv[1], O_RDONLY, 0644);//打开一个文件
13 
14     struct stat file_stat;
15 　　//获取文件信息
16     fstat(fd, &file_stat);
17 
18     cout << "file : " << argv[1] << "  size : " << file_stat.st_size << endl;
19 
20     return 0;
21 }

修改文件大小：

int ftruncate(int fd, off_t  length)

参数：

　　fd：文件描述符

　　length：文件大小，如果原来的文件大小比参数length大，超过的部分将会被删除

返回值：

　　成功： 0 失败： -1

实例：

设置共享内存的大小：

ftruncate(fd,len)

【示例】

　　命令行程序，实现对文件的大小缩放

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <unistd.h>
 4 #include <string.h>
 5 #include <sys/stat.h>
 6 #include <sys/types.h>
 7 #include <fcntl.h>
 8 #include <iostream>
 9 using namespace std;
10 
11 int main(int argc, char * argv[])
12 {
13     int fd = open(argv[1], O_RDWR, 0644);//打开一个文件
14 　　
15     struct stat file_stat;
16 　　//获取文件信息
17     fstat(fd, &file_stat);
18     cout << "file : " << argv[1] << " size : " << file_stat.st_size << endl;
19 　　//定义新的文件大小
20     int new_size= atoi(argv[2]);
21     ftruncate(fd, new_size);//更新文件大小
22     fstat(fd, &file_stat);
23     cout << "new size : " << file_stat.st_size << endl;
24 
25     return 0;
26 }

问题

文件扩大后，新增文件内容是什么？

文件缩小后，文件内容是否会被截取？

文件大小是否可以变为0？

1.3.1 创建

int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode)

参数：

　　name：POSIX IPC名字，格式为/somename

　　oflag：标志

　　mode：权限

返回值：

　　出错： -1 共享内存描述符：其他

【示例】

 1 //共享内存的创建
 2 #include <stdio.h>
 3 #include <stdlib.h>
 4 #include <unistd.h>
 5 #include <sys/mman.h>
 6 #include <sys/types.h>
 7 #include <sys/stat.h>
 8 #include <fcntl.h>
 9 #include <string.h>
10 #include <iostream>
11 using namespace std;
12 
13 int main(int argc, char * argv[])
14 {
15     int fd = shm_open(argv[1], O_CREAT | O_RDWR, 0644);
16 
17     ftruncate(fd, atoi(argv[2]));
18 
19     void * buf = NULL;
20     if((buf = mmap(NULL, BUFSIZ, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0)) == MAP_FAILED)
21     {
22         perror("mmap error
");
23         return 1;
24     }
25     return 0;
26 }

1.3.2 删除

int shm_unlink(const char *name)

参数：

　　name： POSIX IPC名字

返回值：

　　成功： 0 出错： -1

【示例】

 1 //共享内存的删除
 2 #include <stdio.h>
 3 #include <stdlib.h>
 4 #include <unistd.h>
 5 #include <sys/mman.h>
 6 #include <sys/types.h>
 7 #include <sys/stat.h>
 8 #include <fcntl.h>
 9 #include <string.h>
10 #include <iostream>
11 using namespace std;
12 
13 int main(int argc, char * argv[])
14 {
15     shm_unlink(argv[1]);
16     return 0;
17 }

1.3.3 建立内存映射

1 void* mmap(void* start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset)

参数：

内存保护标志：

映射对象的类型：

返回值：

【示例】

写共享内存

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <unistd.h>
 4 #include <sys/mman.h>
 5 #include <sys/stat.h>
 6 #include <fcntl.h>
 7 #include <string.h>
 8 #include <iostream>
 9 
10 using namespace std;
11 
12 int main(int argc, char * argv[])
13 {
14     int fd = shm_open(argv[1], O_RDWR, 0);
15     void * buf = NULL;
16 
17     if((buf = mmap(NULL, BUFSIZ, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0)) == MAP_FAILED)
18     {
19         perror("mmap error 
");
20         return -1;
21     }
22     memcpy(buf, argv[2]);
23     munmap(buf, BUFSIZ);
24 
25     return 0;
26 }

读共享内存

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <unistd.h>
 4 #include <sys/mman.h>
 5 #include <sys/stat.h>
 6 #include <fcntl.h>
 7 #include <string.h>
 8 #include <iostream>
 9 
10 using namespace std;
11 
12 int main(int argc, char * argv[])
13 {
14     int fd = shm_open(argv[1], O_RDONLY, 0);
15     void * buf = NULL;
16 
17     if((buf = mmap(NULL, BUFSIZ, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0)) == MAP_FAILED)
18     {
19         perror("mmap error 
");
20         return -1;
21     }
22     cout << buf << endl;
23     munmap(buf, BUFSIZ);
24 
25     return 0;
26 }

1.3.4 关闭内存映射

int munmap(void *start,size_t length)

参数：

　　start：映射内存起始地址

　　length：内存大小

返回值：

　　成功： 0 失败：-1

注意
关闭mmap中的文件描述符不能删除内存映射。

1.4 示例

（1）内存映射文件

创建文件并且写入数据

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <unistd.h>
 4 #include <sys/mman.h>
 5 #include <sys/stat.h>
 6 #include <fcntl.h>
 7 #include <string.h>
 8 #include <iostream>
 9 
10 using namespace std;
11 int main()
12 {
13     int fd = open("./mmap.txt",O_CREAT|O_RDWR,0644);
14     char str[] = "hello mmap
";
15     ftruncate(fd,sizeof(str));//改变共享内存大小
16     void* buf = NULL;
17     struct stat file_stat;
18     fstat(fd, &file_stat);//获取文件大小信息
19     if(( buf = mmap(NULL,sizeof(str),PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0)) == MAP_FAILED)
20     {
21         perror("mmap error
");
22         return 1;
23     }
24     memcpy(buf, str, file_stat.st_size);
25     munmap(buf,sizeof(str));//关闭内存映射
26     close(fd);
27 }

读取数据并且重新写入数据

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <unistd.h>
 4 #include <sys/mman.h>
 5 #include <sys/stat.h>
 6 #include <fcntl.h>
 7 #include <string.h>
 8 #include <iostream>
 9 
10 using namespace std;
11 
12 int main(int argc,char* argv[])
13 { 
14     int fd = open("./mmap.txt",O_RDWR); 
15     void* buf = NULL; 
16     struct stat file_stat;
17     fstat(fd, &file_stat);
18     if(( buf = mmap(NULL,BUFSIZ,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0)) == MAP_FAILED)
19     { 
20         perror("mmap error
"); 
21         return 1; 
22     } 
23     cout << buf << endl;
24     memcpy(buf, "this sdfdsfdsfdsfdsfdsfdsfdsfdsfdsf
", file_stat.st_size); 
25     munmap(buf,BUFSIZ); 
26     close(fd); 
27 }

亲缘进程读写数据

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <unistd.h>
 4 #include <sys/mman.h>
 5 #include <sys/stat.h>
 6 #include <fcntl.h>
 7 #include <string.h>
 8 #include <iostream>
 9 
10 using namespace std;
11 
12 int main(int argc,char* argv[])
13 {
14     int fd = open("./mmap.txt",O_CREAT|O_RDWR,0644);
15     void* buf = NULL;
16     struct stat file_stat;
17     fstat(fd, &file_stat);
18     if(( buf = mmap(NULL,BUFSIZ,PROT_WRITE|PROT_READ,MAP_SHARED,fd,0)) == MAP_FAILED)
19     {
20         perror("mmap error
");
21         return 1;
22     }
23     if(fork())
24     {
25         memcpy(buf,argv[1],file_stat.st_size);
26     }
27      else
28     {
29          printf("%s
",buf);
30     }
31     munmap(buf,BUFSIZ);
32     close(fd);
33 }

非亲缘进程读写进程

写

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <unistd.h>
 4 #include <sys/mman.h>
 5 #include <sys/stat.h>
 6 #include <fcntl.h>
 7 #include <string.h>
 8 #include <iostream>
 9 
10 using namespace std;
11 
12 int main(int argc,char* argv[])
13 {
14     int fd = open("./mmap.txt",O_CREAT|O_RDWR,0644);
15     void* buf = NULL;
16     struct stat file_stat;
17     fstat(fd, &file_stat);
18     if(( buf = mmap(NULL,BUFSIZ,PROT_WRITE|PROT_READ,MAP_SHARED,fd,0)) == MAP_FAILED)
19     {
20         perror("mmap error
");
21         return 1;
22     }
23     memcpy(buf,argv[1],file_stat.st_size);
24     munmap(buf,BUFSIZ);
25     close(fd);
26 }

读

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <unistd.h>
 4 #include <sys/mman.h>
 5 #include <fcntl.h>
 6 #include <string.h>
 7 #include <iostream>
 8 
 9 using namespace std;
10 
11 int main(int argc,char* argv[])
12 {
13     int fd = open("./mmap.txt",O_CREAT|O_RDWR,0644);
14     void* buf = NULL;
15     if(( buf = mmap(NULL,BUFSIZ,PROT_WRITE|PROT_READ,MAP_SHARED,fd,0)) == MAP_FAILED)
16     {
17         perror("mmap error
");
18         return 1;
19     }
20     cout << buf << endl;
21     munmap(buf,BUFSIZ);
22     close(fd);
23 }

（2）匿名内存映射（亲缘进程）

Systerm V风格

 1 //Systerm V风格
 2 #include <stdio.h>
 3 #include <stdlib.h>
 4 #include <unistd.h>
 5 #include <sys/mman.h>
 6 #include <fcntl.h>
 7 #include <string.h>
 8 #include <iostream>
 9 
10 using namespace std;
11 
12 int main(int argc,char* argv[])
13 { 
14     int fd = open("/dev/zero",O_RDWR); 
15     void* buf = NULL; 
16     struct stat file_stat;
17     fstat(fd, &file_stat);
18     if(( buf = mmap(NULL,BUFSIZ,PROT_WRITE|PROT_READ,MAP_SHARED,fd,0)) == MAP_FAILED)
19     { 
20         perror("mmap error
"); 
21         return 1; 
22     }
23     if(fork())
24     { 
25         memcpy(buf,argv[1],file_stat.st_size); 
26     }
27     else
28     { 
29         printf("%s
",buf); 
30     } 
31     munmap(buf,BUFSIZ); 
32     close(fd); 
33 }

BSD风格

 1 //BSD风格
 2 //Systerm V风格
 3 #include <stdio.h>
 4 #include <stdlib.h>
 5 #include <unistd.h>
 6 #include <sys/mman.h>
 7 #include <fcntl.h>
 8 #include <string.h>
 9 #include <iostream>
10 
11 using namespace std;
12 
13 int main(int argc,char* argv[])
14 { 
15     int fd = open("/dev/zero",O_RDWR); 
16     void* buf = NULL; 
17     struct stat file_stat;
18     fstat(fd, &file_stat);
19     if(( buf = mmap(NULL,BUFSIZ,PROT_WRITE|PROT_READ,MAP_SHARED|MAP_ANON,-1,0)) == MAP_FAILED
20     { 
21         perror("mmap error
"); 
22         return 1; 
23     }
24     if(fork())
25     { 
26         memcpy(buf,argv[1],file_stat.st_size); 
27     }
28     else
29     { 
30         printf("%s
",buf); 
31     } 
32     munmap(buf,BUFSIZ); 
33     close(fd); 
34 }

非亲缘进程

写

 1 //Systerm V风格
 2 #include <stdio.h>
 3 #include <stdlib.h>
 4 #include <unistd.h>
 5 #include <sys/mman.h>
 6 #include <sys/stat.h>
 7 #include <fcntl.h>
 8 #include <string.h>
 9 #include <iostream>
10 
11 using namespace std;
12 
13 int main(int argc,char* argv[])
14 {
15     int fd = open(argv[1],O_RDWR);
16     void* buf = NULL;
17     struct stat file_stat;
18     fstat(fd, &file_stat);
19     if(( buf = mmap(NULL,BUFSIZ,PROT_WRITE|PROT_READ,MAP_SHARED,fd,0)) == MAP_FAILED)
20     {
21         perror("mmap error
");
22         return 1;
23     }
24     int i;
25     for(i = 2; i < argc; i++)
26     {
27         memcpy(buf, argv[1], file_stat.st_size);
28         sleep(3);
29     }
30 
31     munmap(buf,BUFSIZ);
32     close(fd);
33 }

读

 1 //Systerm V风格
 2 #include <stdio.h>
 3 #include <stdlib.h>
 4 #include <unistd.h>
 5 #include <sys/mman.h>
 6 #include <fcntl.h>
 7 #include <string.h>
 8 #include <iostream>
 9 
10 using namespace std;
11 
12 int main(int argc,char* argv[])
13 {
14     int fd = open(argv[1],O_RDWR);
15     void* buf = NULL;
16     
17     if(( buf = mmap(NULL,BUFSIZ,PROT_WRITE|PROT_READ,MAP_SHARED,fd,0)) == MAP_FAILED)
18     {
19         perror("mmap error
");
20         return 1;
21     }
22     sleep(1);
23     for(;;)
24     {
25         cout << buf << endl;
26         sleep(3);
27     }
28 
29     munmap(buf,BUFSIZ);
30     close(fd);
31 }

3. 使用mmap容易出现的问题

现象：总线错误Bus Error
原因：映射文件的大小为0
解决：使用ftruncate()扩展文件的大小，stat.st_size。
现象：段错误
原因：munmap()释放内存的大小大于申请内存大小
解决：释放内存大小与申请内存大小保持一直
现象：Permisstion denied
原因：文件打开权限与文件映射对象访问权限不一致。
解决：只读PROT_READ的文件映射对象使用O_RDONLY打开文件；读写PROT_READ|PROT_WRITE的文件映射对象使用O_RDWR打开文件

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