Linux環境進程間通信（五）: 共享內存（上）
採用共享內存通信的一個顯而易見的好處是效率高，因爲進程可以直接讀寫內存，而不需要任何數據的拷貝。對於像管道和消息隊列等通信方式，則需要在內核和用戶空間進行四次的數據拷貝，而共享內存則只拷貝兩次數據[1]：一次從輸入文件到共享內存區，另一次從共享內存區到輸出文件。實際上，進程之間在共享內存時，並不總是讀寫少量數據後就解除映射，有新的通信時，再重新建立共享內存區域。而是保持共享區域，直到通信完畢爲止，這樣，數據內容一直保存在共 享內存中，並沒有寫回文件。共享內存中的內容往往是在解除映射時才寫回文件的。因此，採用共享內存的通信方式效率是非常高的。
Linux的2.2.x內核支持多種共享內存方式，如mmap()系統調用，Posix共享內存，以及系統V共享內存。linux發行版本如Redhat 8.0支持mmap()系統調用及系統V共享內存，但還沒實現Posix共享內存，本文將主要介紹mmap()系統調用及系統V共享內存API的原理及應 用。
1、page cache及swapcache中頁面的區分：一個被訪問文件的物理頁面都駐留在page cache或swap cache中，一個頁面的所有信息由struct page來描述。struct page中有一個域爲指針mapping ，它指向一個struct address_space類型結構。page cache或swap cache中的所有頁面就是根據address_space結構以及一個偏移量來區分的。
2、文件與address_space結構的對應：一個具體的文件在打開後，內核會在內存中爲之建立一個struct inode結構，其中的i_mapping域指向一個address_space結構。這樣，一個文件就對應一個address_space結構，一個 address_space與一個偏移量能夠確定一個page cache 或swap cache中的一個頁面。因此，當要尋址某個數據時，很容易根據給定的文件及數據在文件內的偏移量而找到相應的頁面。
3、進程調用mmap()時，只是在進程空間內新增了一塊相應大小的緩衝區，並設置了相應的訪問標識，但並沒有建立進程空間到物理頁面的映射。因此，第一次訪問該空間時，會引發一個缺頁異常。
4、對於共享內存映射情況，缺頁異常處理程序首先在swap cache中尋找目標頁（符合address_space以及偏移量的物理頁），如果找到，則直接返回地址；如果沒有找到，則判斷該頁是否在交換區 (swap area)，如果在，則執行一個換入操作；如果上述兩種情況都不滿足，處理程序將分配新的物理頁面，並把它插入到page cache中。進程最終將更新進程頁表。
注：對於映射普通文件情況（非共享映射），缺頁異常處理程序首先會在page cache中根據address_space以及數據偏移量尋找相應的頁面。如果沒有找到，則說明文件數據還沒有讀入內存，處理程序會從磁盤讀入相應的頁面，並返回相應地址，同時，進程頁表也會更新。
5、所有進程在映射同一個共享內存區域時，情況都一樣，在建立線性地址與物理地址之間的映射之後，不論進程各自的返回地址如何，實際訪問的必然是同一個共享內存區域對應的物理頁面。
注：一個共享內存區域可以看作是特殊文件系統shm中的一個文件，shm的安裝點在交換區上。
上面涉及到了一些數據結構，圍繞數據結構理解問題會容易一些。
mmap()系統調用使得進程之間通過映射同一個普通文件實現共享內存。普通文件被映射到進程地址空間後，進程可以向訪問普通內存一樣對文件進行訪問，不必再調用read()，write（）等操作。
注：實際上，mmap()系統調用並不是完全爲了用於共享內存而設計的。它本身提供了不同於一般對普通文件的訪問方式，進程可以像讀寫內存一樣對普通文件的操作。而Posix或系統V的共享內存IPC則純粹用於共享目的，當然mmap()實現共享內存也是其主要應用之一。
1、mmap()系統調用形式如下：
void* mmap ( void * addr , size_t len , int prot , int flags , int fd ,off_t offset )
參數fd爲即將映射到進程空間的文件描述字，一般由open()返回，同時，fd可以指定爲-1，此時須指定flags參數中的MAP_ANON，表明進 行的是匿名映射（不涉及具體的文件名，避免了文件的創建及打開，很顯然只能用於具有親緣關係的進程間通信）。len是映射到調用進程地址空間的字節數，它 從被映射文件開頭offset個字節開始算起。prot 參數指定共享內存的訪問權限。可取如下幾個值的或：PROT_READ（可讀） , PROT_WRITE （可寫）, PROT_EXEC （可執行）, PROT_NONE（不可訪問）。flags由以下幾個常值指定：MAP_SHARED
, MAP_PRIVATE , MAP_FIXED，其中，MAP_SHARED, MAP_PRIVATE必選其一，而MAP_FIXED則不推薦使用。offset參數一般設爲0，表示從文件頭開始映射。參數addr指定文件應被映射 到進程空間的起始地址，一般被指定一個空指針，此時選擇起始地址的任務留給內核來完成。函數的返回值爲最後文件映射到進程空間的地址，進程可直接操作起始地址爲該值的有效地址。這裏不再詳細介紹mmap()的參數，讀者可參考mmap()手冊頁獲得進一步的信息。
2、系統調用mmap()用於共享內存的兩種方式：
（1）使用普通文件提供的內存映射：適用於任何進程之間；此時，需要打開或創建一個文件，然後再調用mmap()；典型調用代碼如下：
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fd=open(name, flag, mode); if(fd<0) ...
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ptr=mmap(NULL, len , PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED , fd , 0); 通過mmap()實現共享內存的通信方式有許多特點和要注意的地方，我們將在範例中進行具體說明。
（2）使用特殊文件提供匿名內存映射：適用於具有親緣關係的進程之間；由於父子進程特殊的親緣關係，在父進程中先調用mmap()，然後調用fork()。那麼在調用fork()之後，子進程繼承父進程匿名映射後的地址空 間，同樣也繼承mmap()返回的地址，這樣，父子進程就可以通過映射區域進行通信了。注意，這裏不是一般的繼承關係。一般來說，子進程單獨維護從父進程繼承下來的一些變量。而mmap()返回的地址，卻由父子進程共同維護。
對於具有親緣關係的進程實現共享內存最好的方式應該是採用匿名內存映射的方式。此時，不必指定具體的文件，只要設置相應的標誌即可，參見範例2。
3、系統調用munmap()
int munmap( void * addr, size_t len )
該調用在進程地址空間中解除一個映射關係，addr是調用mmap()時返回的地址，len是映射區的大小。當映射關係解除後，對原來映射地址的訪問將導致段錯誤發生。
4、系統調用msync()
int msync ( void * addr , size_t len, int flags)
一般說來，進程在映射空間的對共享內容的改變並不直接寫回到磁盤文件中，往往在調用munmap（）後才執行該操作。可以通過調用msync()實現磁盤上文件內容與共享內存區的內容一致。
下面將給出使用mmap()的兩個範例：範例1給出兩個進程通過映射普通文件實現共享內存通信；範例2給出父子進程通過匿名映射實現共享內 存。系統調用mmap()有許多有趣的地方，下面是通過mmap（）映射普通文件實現進程間的通信的範例，我們通過該範例來說明mmap()實現共享內存的特點及注意事項。
範例1包含兩個子程序：map_normalfile1.c及map_normalfile2.c。編譯兩個程序，可執行文件分別爲map_normalfile1及map_normalfile2。兩個程序通過命令行參數指定同一個文件來實現共享內存方式的進程間通信。 map_normalfile2試圖打開命令行參數指定的一個普通文件，把該文件映射到進程的地址空間，並對映射後的地址空間進行寫操作。 map_normalfile1把命令行參數指定的文件映射到進程地址空間，然後對映射後的地址空間執行讀操作。這樣，兩個進程通過命令行參數指定同一個文件來實現共享內存方式的進程間通信。
下面是兩個程序代碼：
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/*-------------map_normalfile1.c-----------*/ #include <sys/mman.h> #include <sys/types.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> typedef struct{ char name[4]; int age; }people; main(int argc, char** argv) // map a normal file as shared mem: { int fd,i; people *p_map; char temp;
fd=open(argv[1],O_CREAT|O_RDWR|O_TRUNC,00777); lseek(fd,sizeof(people)*5-1,SEEK_SET); write(fd,"",1);
p_map = (people*) mmap( NULL,sizeof(people)*10,PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED,fd,0 ); close( fd ); temp = 'a'; for(i=0; i<10; i++) { temp += 1; memcpy( ( *(p_map+i) ).name, &temp,2 ); ( *(p_map+i) ).age = 20+i; } printf(" initialize over \n ")； sleep(10); munmap( p_map, sizeof(people)*10 ); printf( "umap ok \n" ); } /*-------------map_normalfile2.c-----------*/ #include <sys/mman.h> #include <sys/types.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> typedef struct{ char name[4]; int age; }people; main(int argc, char** argv) // map a normal file as shared mem: { int fd,i; people *p_map; fd=open( argv[1],O_CREAT|O_RDWR,00777 ); p_map = (people*)mmap(NULL,sizeof(people)*10,PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED,fd,0); for(i = 0;i<10;i++) { printf( "name: %s age %d;\n",(*(p_map+i)).name, (*(p_map+i)).age ); } munmap( p_map,sizeof(people)*10 ); } |
map_normalfile1.c首先定義了一個people數據結構，（在這裏採用數據結構的方式是因爲，共享內存區的數據往往是有固定格式的，這由通信的各個進程決定，採用結構的方式有普遍代表性）。map_normfile1首先打開或創建一個文件，並把文件的長度設置爲5個 people結構大小。然後從mmap()的返回地址開始，設置了10個people結構。然後，進程睡眠10秒鐘，等待其他進程映射同一個文件，最後解除映射。
map_normfile2.c只是簡單的映射一個文件，並以people數據結構的格式從mmap()返回的地址處讀取10個people結構，並輸出讀取的值，然後解除映射。
分別把兩個程序編譯成可執行文件map_normalfile1和map_normalfile2後，在一個終端上先運行./map_normalfile2 /tmp/test_shm，程序輸出結果如下：
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initialize over umap ok |
在map_normalfile1輸出initialize over 之後，輸出umap ok之前，在另一個終端上運行map_normalfile2 /tmp/test_shm，將會產生如下輸出(爲了節省空間，輸出結果爲稍作整理後的結果)：
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name: b age 20; name: c age 21; name: d age 22; name: e age 23; name: f age 24; name: g age 25; name: h age 26; name: I age 27; name: j age 28; name: k age 29; |
在map_normalfile1輸出umap ok後，運行map_normalfile2則輸出如下結果：
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name: b age 20; name: c age 21; name: d age 22; name: e age 23; name: f age 24; name: age 0; name: age 0; name: age 0; name: age 0; name: age 0; |
從程序的運行結果中可以得出的結論
1、 最終被映射文件的內容的長度不會超過文件本身的初始大小，即映射不能改變文件的大小；
2、 可以用於進程通信的有效地址空間大小大體上受限於被映射文件的大小，但不完全受限於文件大小。打開文件被截短爲5個people結構大小，而在map_normalfile1中初始化了10個people數據結構，在恰當時候（map_normalfile1輸出initialize over 之後，輸出umap ok之前）調用map_normalfile2會發現map_normalfile2將輸出全部10個people結構的值，後面將給出詳細討論。
注：在linux中，內存的保護是以頁爲基本單位的，即使被映射文件只有一個字節大小，內核也會爲映射分配一個頁面大小的內存。當被映射文件小於一個頁面大小時，進程可以對從mmap()返回地址開始的一個頁面大小進行訪問，而不會出錯；但是，如果對一個頁面以外的地址空間進行訪問，則導致錯誤發生，後面將進一步描述。因此，可用於進程間通信的有效地址空間大小不會超過文件大小及一個頁面大小的和。
3、 文件一旦被映射後，調用mmap()的進程對返回地址的訪問是對某一內存區域的訪問，暫時脫離了磁盤上文件的影響。所有對mmap()返回地址空間的操作 只在內存中有意義，只有在調用了munmap()後或者msync()時，才把內存中的相應內容寫回磁盤文件，所寫內容仍然不能超過文件的大小。
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#include <sys/mman.h> #include <sys/types.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> typedef struct{ char name[4]; int age; }people; main(int argc, char** argv) { int i; people *p_map; char temp; p_map=(people*)mmap(NULL,sizeof(people)*10,PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS,-1,0); if(fork() == 0) { sleep(2); for(i = 0;i<5;i++) printf("child read: the %d people's age is %d\n",i+1,(*(p_map+i)).age); (*p_map).age = 100; munmap(p_map,sizeof(people)*10); //實際上，進程終止時，會自動解除映射。 exit(); } temp = 'a'; for(i = 0;i<5;i++) { temp += 1; memcpy((*(p_map+i)).name, &temp,2); (*(p_map+i)).age=20+i; } sleep(5); printf( "parent read: the first people,s age is %d\n",(*p_map).age ); printf("umap\n"); munmap( p_map,sizeof(people)*10 ); printf( "umap ok\n" ); } |
考察程序的輸出結果，體會父子進程匿名共享內存：
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child read: the 1 people's age is 20 child read: the 2 people's age is 21 child read: the 3 people's age is 22 child read: the 4 people's age is 23 child read: the 5 people's age is 24 parent read: the first people,s age is 100 umap umap ok |
前面對範例運行結構的討論中已經提到，linux採用的是頁式管理機制。對於用mmap()映射普通文件來說，進程會在自己的地址空間新增一塊空間，空間大小由mmap()的len參數指定，注意，進程並不一定能夠對全部新增空間都能進行有效訪問。進程能夠訪問的有效地址大小取決於文件被映射部分的大小。簡單的說，能夠容納文件被映射部分大小的最少頁面個數決定了進程從mmap()返回的地址開始，能夠有效訪問的地址空間大小。超過這個空間大小，內核會根據超過的嚴重程度返回發送不同的信號給進程。可用如下圖示說明：
注意：文件被映射部分而不是整個文件決定了進程能夠訪問的空間大小，另外，如果指定文件的偏移部分，一定要注意爲頁面大小的整數倍。下面是對進程映射地址空間的訪問範例：
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#include <sys/mman.h> #include <sys/types.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> typedef struct{ char name[4]; int age; }people; main(int argc, char** argv) { int fd,i; int pagesize,offset; people *p_map;
pagesize = sysconf(_SC_PAGESIZE); printf("pagesize is %d\n",pagesize); fd = open(argv[1],O_CREAT|O_RDWR|O_TRUNC,00777); lseek(fd,pagesize*2-100,SEEK_SET); write(fd,"",1); offset = 0; //此處offset = 0編譯成版本1；offset = pagesize編譯成版本2 p_map = (people*)mmap(NULL,pagesize*3,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,offset); close(fd);
for(i = 1; i<10; i++) { (*(p_map+pagesize/sizeof(people)*i-2)).age = 100; printf("access page %d over\n",i); (*(p_map+pagesize/sizeof(people)*i-1)).age = 100; printf("access page %d edge over, now begin to access page %d\n",i, i+1); (*(p_map+pagesize/sizeof(people)*i)).age = 100; printf("access page %d over\n",i+1); } munmap(p_map,sizeof(people)*10); } |
如程序中所註釋的那樣，把程序編譯成兩個版本，兩個版本主要體現在文件被映射部分的大小不同。文件的大小介於一個頁面與兩個頁面之間（大小爲：pagesize*2-99），版本1的被映射部分是整個文件，版本2的文件被映射部分是文件大小減去一個頁面後的剩餘部分，不到一個頁面大小(大小爲：pagesize-99)。程序中試圖訪問每一個頁面邊界，兩個版本都試圖在進程空間中映射pagesize*3的字節數。
版本1的輸出結果如下：
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pagesize is 4096 access page 1 over access page 1 edge over, now begin to access page 2 access page 2 over access page 2 over access page 2 edge over, now begin to access page 3 Bus error //被映射文件在進程空間中覆蓋了兩個頁面，此時，進程試圖訪問第三個頁面 |
版本2的輸出結果如下：
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pagesize is 4096 access page 1 over access page 1 edge over, now begin to access page 2 Bus error //被映射文件在進程空間中覆蓋了一個頁面，此時，進程試圖訪問第二個頁面 |
結論：採用系統調用mmap()實現進程間通信是很方便的，在應用層上接口非常簡潔。內部實現機制區涉及到了linux存儲管理以及文件系統等方面的內容，可以參考一下相關重要數據結構來加深理解。在本專題的後面部分，將介紹系統v共享內存的實現。
[1] Understanding the Linux Kernel, 2nd Edition, By Daniel P. Bovet, MarcoCesati , 對各主題闡述得重點突出，脈絡清晰。
[2] UNIX網絡編程第二卷：進程間通信，作者：W.Richard Stevens，譯者：楊繼張，清華大學出版社。對mmap()有詳細闡述。
[3] Linux內核源代碼情景分析（上），毛德操、胡希明著，浙江大學出版社，給出了mmap()相關的源代碼分析。
[4]mmap()手冊
鄭彥興，國防科大攻讀博士學位。聯繫方式： [email protected]