进程间通信笔记（8）—mmap详解

男娘i 2022-09-26 11:58 362阅读 0赞

这一次要彻底理解linux mmap。

最早接触mmap是在大四的一个嵌入式项目，将3730的物理内存关联到进程空间，用作进程间通信的共享缓冲，存放参数、视频帧等。时间过去了两年，虽然当时也大概了解，不过一直没有系统的学习（水了两篇博客）。这次就好好看看（从用户态到内核态）

前3部分为基础知识，后面将具体介绍mmap。

## 1.进程空间分布 ##

对于一个进程，其空间分布如下图所示：

![这里写图片描述][20160922104751898]

> **程序段(Text):**程序代码在内存中的映射，存放函数体的二进制代码。  
> **初始化过的数据(Data):**在程序运行初已经对变量进行初始化的数据，**例如初始化过的全局变量和静态变量。**  
> **未初始化过的数据(BSS):**在程序运行初未对变量进行初始化的数据，**例如未初始化的全局变量和静态变量。**  
> **栈 (Stack):**存储局部、临时变量，函数调用时，存储函数的返回指针，用于控制函数的调用和返回。在程序块开始时自动分配内存,结束时自动释放内存，其操作方式类似于数据结构中的栈。  
> **堆 (Heap):**存储动态内存分配,需要程序员手工分配,手工释放.注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式类似于链表。  
> **注：Text, BSS, Data段在编译时已经决定了进程将占用多少VM**

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## 2.内核空间和用户空间 ##

对于32bits操作系统来说，Linux的虚拟地址空间范围为0～4G（0~3G为用户空间，3~4G为内核空间），Linux内核将这4G字节的空间分为两部分，将最高的1G字节（从虚拟地址0xC0000000到0xFFFFFFFF）供内核使用，称为“内核空间”。而将较低的3G字节（从虚拟地址0x00000000到0xBFFFFFFF）供各个进程使用，称为“用户空间”。

![这里写图片描述][20160922104820578]

**问：有的物理内存只有几百M，为什么进程的寻址空间却有这么大？**  
**答：这就是使用了虚拟地址的好处，通常我们使用一种叫做虚拟内存的技术来实现，因为可以使用硬盘中的一部分来当作内存使用 。**

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## 3.进程的内存布局 ##

Linux进程标准的内存段布局，如下图所示，地址空间中的各个条带对应于不同的内存段（memory segment），如：堆、栈之类的。

![这里写图片描述][20160922104902125]

在终端，进程结束前，通过**`cat /proc/[pid]/maps`**查看具体内存分配，例如（可能更上述内容有点出入，因为系统是64bits）：

![这里写图片描述][20160922104958195]

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## 4.mmap简介 ##

mmap存在的意义就是减少了用户态和内核态数据的拷贝，这样能够大大提高效率。mmap函数把一个文件或者一个Posix共享内存区对象映射到进程的地址空间，这样：

> 1.使用普通文件提供内存映射  
> 2.特殊文件提供匿名内存映射  
> 3.使用shm\_open提供Posix共享内存区

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

第一个参数`void *addr`：指定被映射到进程地址空间的起始地址，一般指定为NULL，表示让内核自己选择。  
第二个参数`size_t length`：需要映射的大小（字节）。  
第三个参数`int prot`：数据的访问权限，一般PROT\_READ|PROT\_WRITE表示可读写。  
第四个参数`int flags`：一般指定为MAP\_SHARED  
第五个参数`int fd`：映射的文件描述符  
第六个参数`off_t offset`：从文件的什么位置开始映射，一般指定为0。

上述参数作用具体如图所示：

![这里写图片描述][20160922105045299]

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## 5.mmap编程 ##

打开文件，并将其映射到进程地址空间，通过地址指针访问文件内容，并输出部分内容到标准输出。

#include <sys/mman.h>
    #include <sys/stat.h>
    #include <fcntl.h>
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <unistd.h>
    
    #define handle_error(msg) \
        do { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } while (0)
    
        int
    main(int argc, char *argv[])
    {
        char *addr;
        int fd;
        struct stat sb;
        off_t offset, pa_offset;
        size_t length;
        ssize_t s;
    
        if (argc < 3 || argc > 4) {
            fprintf(stderr, "%s file offset [length]\n", argv[0]);
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    
        fd = open(argv[1], O_RDONLY);//打开文件
        if (fd == -1)
            handle_error("open");
    
    //获取文件大小
        if (fstat(fd, &sb) == -1)           /* To obtain file size */
            handle_error("fstat");
    
        offset = atoi(argv[2]);// 从offset的位置开始读取
        pa_offset = offset & ~(sysconf(_SC_PAGE_SIZE) - 1);
        /* offset for mmap() must be page aligned */
    
        if (offset >= sb.st_size) {
       //offset太大
            fprintf(stderr, "offset is past end of file\n");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    
        if (argc == 4) {
            length = atoi(argv[3]);//读取的内容多少
            if (offset + length > sb.st_size)
                length = sb.st_size - offset;//超过文件大小，则剩下内容都读出来
            /* Can't display bytes past end of file */
    
        } else {    /* No length arg ==> display to end of file */
            length = sb.st_size - offset;//读出剩下内容
        }
    
        addr = mmap(NULL, length + offset - pa_offset, PROT_READ,
            MAP_PRIVATE, fd, pa_offset);//映射到地址空间
        printf("addr is 0x%08x\n\n\n",&addr);//打印映射地址
        if (addr == MAP_FAILED)
            handle_error("mmap");
    
        s = write(STDOUT_FILENO, addr + offset - pa_offset, length);//写到标准输出（从offset处写入length大小）
        printf("\r\n");
        if (s != length) {
            if (s == -1)
                handle_error("write");
            fprintf(stderr, "partial write");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        sleep(60);//休眠一分钟为了cat /proc/[pid]/maps
        exit(EXIT_SUCCESS);
    } /* main */

例如在源码文件夹下创建文件a，并编辑为”helloword”  
编译运行：

![这里写图片描述][20160922105119722]

可以看到，地址是随机的，因为指定第一个参数为NULL，表示由内核随机找一个起始地址。

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## 6.bus error原因 ##

记得我在[Linux mmap及bus error解决方案][Linux mmap_bus error]提到bus error的解决方案，后来有人问我为什么，当时也不是特别了解，现在知道了：  
我们不能用mmap去扩展一个空的新打开的文件，因为文件大小为0，并没有合法的物理页与之对应。

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## 7. mmap驱动层实现 ##

[http://www.cnblogs.com/huxiao-tee/p/4660352.html\#\_label0][http_www.cnblogs.com_huxiao-tee_p_4660352.html_label0]

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## 8.参考 ##

1.UNP卷2  
2.[http://www.cnblogs.com/huxiao-tee/p/4660352.html\#\_label0][http_www.cnblogs.com_huxiao-tee_p_4660352.html_label0]  
3.[http://blog.csdn.net/wenxy1/article/details/3591243][http_blog.csdn.net_wenxy1_article_details_3591243]  
4.[http://www.cnblogs.com/clover-toeic/p/3754433.html][http_www.cnblogs.com_clover-toeic_p_3754433.html]  
5.[http://blog.csdn.net/zhangzhebjut/article/details/39060253][http_blog.csdn.net_zhangzhebjut_article_details_39060253]

[20160922104751898]: /images/20220717/18851d41ccb24fd788f462949fccf009.png
[20160922104820578]: /images/20220717/5c1a184d699c4e26badf3005153e3751.png
[20160922104902125]: /images/20220717/18afbc367f064ac9946d3a6c458e2dc0.png
[20160922104958195]: /images/20220717/bf24eb2cfeb34e30956f87639a2ae355.png
[20160922105045299]: /images/20220717/3a0725c5dfef4b89bef802df8ea2aa44.png
[20160922105119722]: /images/20220717/ef4cd510131a4f6cbda72b355e861d91.png
[Linux mmap_bus error]: http://blog.csdn.net/zhangxiao93/article/details/42125993?locationNum=1
[http_www.cnblogs.com_huxiao-tee_p_4660352.html_label0]: http://www.cnblogs.com/huxiao-tee/p/4660352.html#_label0
[http_blog.csdn.net_wenxy1_article_details_3591243]: http://blog.csdn.net/wenxy1/article/details/3591243
[http_www.cnblogs.com_clover-toeic_p_3754433.html]: http://www.cnblogs.com/clover-toeic/p/3754433.html
[http_blog.csdn.net_zhangzhebjut_article_details_39060253]: http://blog.csdn.net/zhangzhebjut/article/details/39060253