linux内存管理——mmap函数详解

mmap函数是unix/linux下的系统调用。
当存在客户－服务程序中复制文件时候，其数据流如下，要经历四次数据复制，开销很大。
 
如果采用共享内存的方式，那么将大大优化IO操作，数据流变成了如下，数据只复制两次：
 


映射文件或设备到内存中，取消映射就是munmap函数。
语法如下：
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,
                  int fd, off_t offset);
int munmap(void *addr, size_t length);
该函数主要用途有三个：
 将普通文件映射到内存中，通常在需要对文件进行频繁读写时使用，用内存读写取代I/O读写，以获得较高的性能；
 将特殊文件进行匿名内存映射，为关联进程提供共享内存空间；
 为无关联的进程间的Posix共享内存（SystemV的共享内存操作是shmget/shmat）
我们来看下函数的入参选择：
➢ 参数addr：
指向欲映射的内存起始地址，通常设为 NULL，代表让系统自动选定地址，映射成功后返回该地址。
➢ 参数length：
代表将文件中多大的部分映射到内存。
➢ 参数prot：
映射区域的保护方式。可以为以下几种方式的组合：
PROT_EXEC 映射区域可被执行
PROT_READ 映射区域可被读取
PROT_WRITE 映射区域可被写入
PROT_NONE 映射区域不能存取
➢ 参数flags：
影响映射区域的各种特性。在调用mmap()时必须要指定MAP_SHARED 或MAP_PRIVATE。
MAP_FIXED 如果参数start所指的地址无法成功建立映射时，则放弃映射，不对地址做修正。通常不鼓励用此。
MAP_SHARED对映射区域的写入数据会复制回文件内，而且允许其他映射该文件的进程共享。
MAP_PRIVATE 对映射区域的写入操作会产生一个映射文件的复制，即私人的“写入时复制”（copy on write）对此区域作的任何修改都不会写回原来的文件内容。
MAP_ANONYMOUS建立匿名映射。此时会忽略参数fd，不涉及文件，而且映射区域无法和其他进程共享。
MAP_DENYWRITE只允许对映射区域的写入操作，其他对文件直接写入的操作将会被拒绝。
MAP_LOCKED 将映射区域锁定住，这表示该区域不会被置换（swap）。
➢ 参数fd：
要映射到内存中的文件描述符。如果使用匿名内存映射时，即flags中设置了MAP_ANONYMOUS，fd设为-1。
➢ 参数offset：
文件映射的偏移量，通常设置为0，代表从文件最前方开始对应，offset必须是分页大小的整数倍。如下图内存映射文件的示例。
 
14.15.1.1 共享映射
修改共享内存中的文件内容：
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <error.h>


int
main (int argc, char **argv)
{
  int fd, nread, i;
  struct stat sb;
  char *mapped;
  if ( argc <= 1 )
  {
          printf("%s: Need file path! \n",argv[0]);
          exit(-1);
  }
  /* 打开文件 */
  if ((fd = open (argv[1], O_RDWR)) < 0)
    {
      perror ("open");
    }
  /* 获取文件的属性 */
  if ((fstat (fd, &sb)) == -1)
    {
      perror ("fstat");
    }
  /* 将文件映射至进程的地址空间 */
  if ((mapped = (char *) mmap (NULL, sb.st_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0)) == (void *) -1)
    {
      perror ("mmap");
    }
  /* 映射完后, 关闭文件也可以操纵内存 */
  close (fd);


  printf ("%s", mapped);
  /* 修改一个字符,同步到磁盘文件 */
  mapped[0] = '0';
  if ((msync ((void *) mapped, sb.st_size, MS_SYNC)) == -1)
    {
      perror ("msync");
    }
  /* 释放存储映射区 */
  if ((munmap ((void *) mapped, sb.st_size)) == -1)
    {
      perror ("munmap");
    }


  return 0;
}
编译后，即可执行，参数为当前目录的一个文件名字。
例如在当前目录下创建一个hello.txt,存入hello单词，然后执行./a.out hello.txt,完毕后发现文件中的第一个字母h变成了０。程序将文件映射到了内存中，并将第一个字符进行了修改并同步到了磁盘文件hello.txt中。


14.15.1.2 父子进程通信
使用fork创建进程，父子进程分别往共享内存中写入各自字符串，并读出。
#include <sys/mman.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>


#define BUF_SIZE 100


int
main (int argc, char **argv)
{
  char *p_map;


  /* 匿名映射,创建一块内存供父子进程通信 */
  p_map = (char *) mmap (NULL, BUF_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);


  if (fork () == 0)
    {
      sleep (1);
      printf ("child got a message: %s\n", p_map);
      sprintf (p_map, "%s", "from u son");
      munmap (p_map, BUF_SIZE); //实际上，进程终止时，会自动解除映射。  
      exit (0);
    }


  sprintf (p_map, "%s", "from u father");
  sleep (2);
  printf ("parent got a message: %s\n", p_map);


  return 0;
}


14.15.1.3 内存访问溢出
linux采用的是页式管理机制，使用mmap()映射普通文件后，进程会在自己的地址空间新增一块空间，空间大小由mmap()的len参数指定。但是，进程并不一定能够对全部新增空间都能进行有效访问。进程能够访问的有效地址大小取决于文件被映射部分的大小。决定进程能访问的大小是容纳文件被映射部分的最小页面数。如下图。
 
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>


int
main (int argc, char **argv)
{
  int fd, i;
  int pagesize, offset;
  char *p_map;
  struct stat sb;


  /* 取得page size */
  pagesize = sysconf (_SC_PAGESIZE);
  printf ("pagesize is %d\n", pagesize);


  /* 打开文件 */
  fd = open (argv[1], O_RDWR, 00777);
  fstat (fd, &sb);
  printf ("file size is %zd\n", (size_t) sb.st_size);


  offset = 0;
  p_map = (char *) mmap (NULL, pagesize * 2, PROT_READ | PROT_WRITE,
                         MAP_SHARED, fd, offset);
  close (fd);


//  p_map[sb.st_size] = '9';    /* 导致总线错误 */
  p_map[pagesize+1] = '9';      /* 导致段错误 */


  munmap (p_map, pagesize * 2);


  return 0;
}