Linux编程基础5 - 进程间通信(POSIX共享内存)

C/C++ Linux编程多进程 IPC 共享内存

 2020/06/26 

Linux下有两种类型的共享内存系统调用，一种是基于System V的，另一种是基于POSIX的。上一篇文章Linux编程基础4 - 进程间通信(共享内存) 说的就是System V下的共享内存系统调用；之前介绍过的mmap()函数就是基于POSIX的，除了mmap()外，shm_open()和shm_unlink()也是基于POSIX的函数。这篇文章主要记录POSIX下共享内存系统调用的使用。

mmap()

mmap()主要作用是将文件映射到进程的内存空间，从而进程可以快速地读取文件内容(不用再使用write()、read()经过磁盘、内核缓冲区、用户空间缓冲区等)；同时，我们也可以指定多个进程映射同一个文件，这样也实现了共享内存的作用。mmap()一般适合临时性的大文件映射，当进程结束时，映射自动就被销毁了(System V需要手动销毁)。

mmap()的函数原型如下(munmap()用于销毁映射)：

// 成功返回共享内存的地址，失败返回(void *)-1
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
// 成功返回0，失败返回-1
int munmap(void *addr, size_t length);

mmap()函数参数比较多，addr是映射地址一般填NULL，内核会自动分配地址进行映射；length是需要映射的长度；prot是该空间的范围权限有PROT_READ，PROT_WRITE等；flags是标志位，用的比较多的是MAP_SHARED和MAP_PRIVATE，它们的作用下面会讲；fd是文件描述符；offset是文件映射起始地址的偏移量，它的值必须是页大小的整数倍。

上面提到MAP_SHARED和MAP_PRIVATE，这两个标志位有什么不同呢？前者对进程内部映射区的修改会更新文件，其他同样映射到该文件的进程也可以看到修改后的文件(修改文件同样也会修改映射区？)；对于后者进程使用COW(copy on write)，只修改内部映射区，不会修改文件，因此其它进程是看不到文件修改的(修改文件是否会影响映射区是没有定义的行为)。

上面有提到offset必须是页大小的整数倍，因为Linux内核是通过页的方式管理内存空间的，因此mmap()的操作是按页进行操作的。文件会按照文件大小 / 页大小 + 1的形式被映射到进程，因此mmap()实际会使用比文件大小更多的内存空间。对于mmap()的参数，虽然只有offset被要求是页的整数倍，但addr在函数内部会向上转化成页大小的整数倍。

除了实现文件到进程空间的映射，mmap()还可以通过匿名映射实现父进程和子进程之间的通信(匿名映射还可以用来实现malloc()）。

匿名映射

当我们设置flags为AP_ANONYMOUS或者MAP_ANON时，mmap()将实现匿名映射。在该设置下，fd通常会被忽略，在有些系统中需要设置fd = -1。在匿名映射下，进程将内存空间而不是文件映射到进程空间，并且这个空间除了子进程外的其他进程是不能访问的，因此匿名映射可以用作父子进程间的通信。

shm_open()和shm_unlink()

如果要用mmap()来实现任意进程间的通信，我们还需要使用另外两个系统调用 - shm_open()和shm_unlink()(当然还需要额外的函数实现进程同步)。

shm_open()用于创建或者打开一个共享内存空间，这个空间的地址在/dev/shm/xxx，其中/xxx就是shm_open()创建共享内存空间时的参数。shm_open()和shm_unlink()函数原型如下：

// 成功返回文件描述符，失败返回-1
int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);
// 成功返回0，失败返回-1
int shm_unlink(const char *name);

name是创建文件的名字，建议使用/xxx的方式命名。oflag是标志位，用于设置可读、可写、创建文件等；mode和open的mode一样，后9bit是设置文件的访问权限。

shm_unlink()用于解除共享内存空间和文件描述符的映射，当没有进程映射到该内存空间，内核就会销毁它。

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1. 1.1. 匿名映射
2. shm_open()和shm_unlink()