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LINUX 中的mmap浅析

原创LINUX系统编程水平有限，参考UNIX系统编程手册

LINUX 中的mmap浅析

一、mmap基本原理和分类
在LINUX中我们可以使用mmap用来在进程虚拟地址空间中分配创建一片虚拟内存地址映射
其可以是
1、文件映射
使用文件内容初始化内存
2、匿名映射
初始化全为0的内存空间(calloc也可以)
下面配图来自UNIX系统编程手册
LINUX 中的mmap浅析

而对于是否共享又分为
1、私有映射(MAP_PRIVATE)
多进程间数据共享，修改不反应到磁盘实际文件，
私有写时复制实现
2、共享映射(MAP_SHARED)
多进程间数据共享，修改反应到磁盘实际文件中。
那么总结起来有4种组合
1、私有文件映射
多个进程使用同样的物理内存页进行初始化，但是各个进程
对内存文件的修改不会共享，也不会反应到物理文件中，比如
我们LINUX .so动态库文件就采用这种方式映射到各个进程虚拟
地址空间中
2、私有匿名映射
mmap会创建一个新的映射，各个进程不共享，这种使用主要用于
分配内存(malloc分配大内存会调用mmap)。
3、共享文件映射
多个进程通过虚拟内存技术共享同样的物理内存空间，对内存文件
的修改会反应到实际物理文件中，他也是进程间通信(IPC)的一种机制
4、共享匿名映射
这种机制在进行fork的时候不会采用写时复制，父子进程完全共享
同样的物理内存页，这也就实现了父子进程通信(IPC).
下面也是UNIX系统编程手册截图
LINUX 中的mmap浅析

在/proc/PID/maps下我们可以找到一个当前进程使用mmap创建的映射比如：
379a000000-379a016000 r-xp 00000000 08:03 12320771 /lib64/libgcc_s-4.4.7-20120601.so.1
379a016000-379a215000 ---p 00016000 08:03 12320771 /lib64/libgcc_s-4.4.7-20120601.so.1
379a215000-379a216000 rw-p 00015000 08:03 12320771 /lib64/libgcc_s-4.4.7-20120601.so.1
379a400000-379a4e8000 r-xp 00000000 08:03 9700201 /usr/lib64/libstdc++.so.6.0.13
379a4e8000-379a6e8000 ---p 000e8000 08:03 9700201 /usr/lib64/libstdc++.so.6.0.13
379a6e8000-379a6ef000 r--p 000e8000 08:03 9700201 /usr/lib64/libstdc++.so.6.0.13
379a6ef000-379a6f1000 rw-p 000ef000 08:03 9700201 /usr/lib64/libstdc++.so.6.0.13
对于解释可以参考UNIX系统编程手册如下描述
LINUX 中的mmap浅析

二、mmap函数原型

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset);
参数有点多
addr:映射放到哪里(虚拟地址)，一般传NULL，让内核自己决定
length：映射的大小(直接)，最小是系统页的整数倍(4K)
port:位图掩码
PROT_NONE 不能访问
PROT_READ 可读取
PROT_WRITE 可修改
PROT_EXEC 可执行
非法访问或报SIGSEGV段错误信号
flags:位图掩码
MAP_ANONYMOUS:创建一个匿名映射
MAP_PRIVATE:私有映射
MAP_SHARED:共享映射(注意并不能保证一定实际写入物理磁盘(MSYNC))
MAP_FIXED:addr必须是页对齐地址
其他标示不做解释
fd:映射文件的文件描述符
offset:从文件的哪个位置开始映射，必须是系统页的整数倍(4K)

返回值：
成功返回映射的虚拟内存地址的起始地址，失败返回MAP_FAILED

三、建立匿名映射
1、指针MAP_ANONYMOUS，并且fd指定为0
2、打开/dev/zero文件将文件描述符传递给mmap()
匿名映射会分配初始化全为0的虚拟内存空间

四、其他函数
int msync(void *addr, size_t length, int flags);
用于将kener buffer的数据同步到磁盘
int munmap(void *addr, size_t length);
用于解除映射

五、程序实例
下面我们通过mmap做私有匿名映射来完成一个小的线程间同步问题程序，用这片
内存区域来做线程间通信

点击(此处)折叠或打开

#include<iostream>
#include<sys/mman.h>
#include<pthread.h>
#include<string.h>
#define uint unsigned int
#define MMSIZE (uint)(1<<23)
#define MSIZE (uint)(1<<20)
#define MPRT (uint)(1<<16)
using namespace std;
class tc
{
private:
uint a;
public:
tc():a(1)
{
;
}
~tc()
{
;
}
void add()
{
a=a+1;
}
void set()
{
a=1;
}
void prt(int i)
{
if(!(i%(MPRT)))
{
cout<<":"<<a;
}
}
};
struct tt
{
tc* p1;
pthread_mutex_t* p2;
};
void* test(void* arg)
{
int i = 0;
tt* s = NULL;
s = (tt*)arg;
int maxloop = 50;
while(maxloop--)
{
i = MSIZE;
pthread_mutex_lock(s->p2);//MUTEX保护临界区
cout<<"Thread:"<<pthread_self()<<" work now!!!/n";
for(;i--;)
{
(s->p1+i)->prt(i);
(s->p1+i)->add();
}
cout<<"/n";
pthread_mutex_unlock(s->p2);//解锁
}
}
int main(void)
{
pthread_t tid[3];
pthread_mutex_t pmut;
tt s1;
tc* p = (tc*)mmap(NULL,MMSIZE,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_ANONYMOUS|MAP_PRIVATE,-1,0);//MMAP分配一个匿名私有虚拟内存用于线程间通信
pthread_mutex_init(&pmut,NULL);
s1.p1 = p;
s1.p2 = &pmut;
int i = MSIZE+1;
for(;i--;)
{
(p+i)->set();//初始化所有的a=1
}
for(i=0;i<3;i++)
{
pthread_create(tid+i,NULL,test,(void*)&s1);//建立3个线程
}
for(i = 0;i<3;i++)
{
pthread_join( *(tid+i) , NULL);//堵塞回收线程
}
pthread_mutex_destroy(&pmut);
munmap(p,MMSIZE);
}

同时我们也观察到了线程由于失去CPU而放弃执行其他线程得到CPU继续执行，由于
我们使用MUTEX保护临界区这个数数还是正常进行。最后正常数到了150
Thread:140545405572864 work now!!!
:32:32:32:32:32:32:32:32:32:32:32:32:32:32:32:32
Thread:140545397180160 work now!!! (线程140545405572864 失去CPU线程140545397180160执行)
:33:33:33:33:33:33:33:33:33:33:33:33:33:33:33:33
..................
Thread:140545397180160 work now!!!
:58:58:58:58:58:58:58:58:58:58:58:58:58:58:58:58
Thread:140545405572864 work now!!!(线程140545405572864重新获得CPU)
:59:59:59:59:59:59:59:59:59:59:59:59:59:59:59:59
............
Thread:140545388787456 work now!!!
:150:150:150:150:150:150:150:150:150:150:150:150:150:150:150:150

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