共享内存实例及文件映射编程及实现原理

目录

（一）IPC共享内存和文件映射的区别 1

（二）共享内存实现流程总结 1

（三）存储映射I/O（包含实现原理说明） 2

文件映射API补充 4

（四）IPC共享存储（包含实现原理说明） 6

（五）共享内存实现基本原理10

（六）IPC共享内存实现机制11

（七）文件映射的实现机制13

（一）IPC共享内存和文件映射的区别

1. 文件映射的页框是磁盘文件高速缓存中的页框，内核线程pdflush会将页框中的内容回写进磁盘，如果是私有映射类型，将会进行写时复制。而IPC共享内存映射的是一种特殊文件系统中的文件高速缓存，它没有相应的磁盘映像。

2. IPC共享内存只存在于内存中，系统重新启动，数据将会丢失。而文件共享映射会将数据写回磁盘。

3. IPC共享内存的大小是在创建的时候指定，而且大小不能改变，而文件在创建时大小为0，此时还不能建立映射，文件的大小会间接的决定映射区的大小。例如文件的大小是123，而要求映射的区域大小是4096*2，但实际只会分配4096的映射空间，此时引用4096以后的线性空间将引起缺页异常。

4. 当第一次读取共享内存时IPC共享内存对象将分配一个新的页框，而文件映射分配新页框的同时会将磁盘中的数据写入新页框。

5. IPC共享内存不需要写回磁盘操作，完全是为共享内存而设计，所以使用效率会更高。

6. IPC共享内存对象必须调用shmctl()显示的撤销，否则会一直保留着，使用key或者id号定位一个共享内存对象，key和id号的对应关系并不是固定的。例如，第一次使用key建立一个共享内存对象为shm1对应的id为id1，之后系统重新启动，然后再使用key 建立一个共享内存对象shm2，对应的id是id2，此时id2和id1是不同的。而文件映射使用相同的路径将会定位相同的磁盘文件。

总结：IPC共享内存和文件映射的实现机制是一样的，文件映射的目的是加快对文件的读写速度，而IPC共享内存就是为了共享内存而设计的，所以效率会高一些。

（二）共享内存实现流程总结

1. 建立一个线性区对象struct vm_area_struct 并加入进程的内存描述符current->mm中。

函数mmap()和shmat()就是用于建立并注册线性区对象，这个对象中的struct file *vm_file指向映射文件的文件对象，vm_page_prot是线性区中页框的访问许可权。但此时并未修改进程的页表，而是注册相应的缺页异常回调函数，注册在对象的vm_ops。

2. 当进程第一次访问共享内存区时，由于相应的页表还未填写，将产生缺页异常，并根据线性地址找到对应的线性区对象，然后调用前边注册过的缺页异常回调函数，并根据vm_file文件对象和vm_page_prot的信息来填写相应的页表项，最后重新执行产生缺页异常的代码。

说明：文件映射和IPC共享内存映射的物理页框都是磁盘文件的页高速缓存中的，IPC 共享内存使用一种特殊文件系统，这个文件系统并没有对应的磁盘映像，只是复用了文件系统的框架。更详细的内容参见后边的五，六，七节。

下面3，4节是《UNIX环境高级编程》对文件映射和IPC共享内存的讲解，已经说明的很详细了，我在它的基础上附加了一些内核实现原理的说明，实现原理说明部分放在括号内。

（三）存储映射I/O（包含实现原理说明）

存储映射I/O使一个磁盘文件与存储空间中的一个缓存相映射。于是当从缓存中取数据，就相当于读文件中的相应字节。与其类似，将数据存入缓存，则相应字节就自动地写入文件。这样，就可以在不使用read和write的情况下执行I/O。

为了使用这种功能，应首先告诉内核将一个给定的文件映射到一个存储区域中。这是由mmap函数实现的。

#include

#include

void * mmap(void addr, size_t len, int prot, int flag, int fd, off_t off) ;

返回：若成功则为映射区的起始地址，若出错则为- 1

addr参数用于指定映射存储区的起始地址。通常将其设置为0，这表示由系统选择该映射区的起始地址。此函数的返回地址是：该映射区的起始地址。fd指定要被映射文件的描述符（fd用于定位是哪个磁盘文件的页高速缓存）。在映射该文件到一个地址空间之前，先要打开该文件。len是映射的字节数。off是要映射字节在文件中的起始位移量（下面将说明对off值有某些限制）。

在说明其余参数之前，先看一下存储映射文件的基本情况。图12 - 12显示了一个存储映射文件。

在此图中，“起始地址”是mmap的返回值。在图中，映射存储区位于堆和栈之间：这属于实现

细节，各种实现之间可能不同。

prot参数说明映射存储区的保护要求。见表12 - 8。

对于映射存储区所指定的保护要求与文件的open方法匹配。例如，若该文件是只读打开的，那么对映射存储区就不能指定PROT _WRITE。（对存储映射区的保护是通过设置页表项的保护标志来实现的，如果页表项的read/write标志位为0，说明页是只读的，如果进程试图修改页的内容，将产生段错误，这些保护方案都是由CPU硬件控制的）flag参数影响映射存储区的多种属性：

? MAP_FIXED 返回值必须等于addr。因为这不利于可移植性，所以不鼓励使用此标志。如果未指定此标志，而且addr非0，则内核只把addr视为何处设置映射区的一种建议。通过将addr指定为0可获得最大可移植性。

? MAP_SHARED 这一标志说明了本进程对映射区所进行的存储操作的配置。此标志指定存储操作修改映射文件—也就是，存储操作相当于对该文件write。（这里映射的页是包含在文件的页高速缓存中，用户态进程在读写磁盘的时候，内核先在页高速缓存中增加一个新页，将所请求的磁盘块写入新页，用户态进程从页高速缓存中取出数据。如果要写入数据，也是要添加一个页将磁盘中的数据写入该页，然后再将数据写入该页，内核会在一定的时机对磁盘进行更新。）

（以上的页高速缓存是组织在inode的i_mmaping对象中，对于一个磁盘文件唯一对应一个磁盘inode，每个磁盘inode也唯一对应一个内核inode，也就是，每个磁盘文件只有一个页高速缓存，如果两个进程映射的是同一个文件的页高数缓存，则它们共享相同的物理页）

? MAP_PRIVATE 本标志说明，对映射区的存储操作导致创建该映射文件的一个副本。所有后来对该映射区的存访都是存访该副本，而不是原始文件。（这里内核用到了写时复制技术，在相应的页表项中设置写时复制标志，当进程试图修改该页，内核将会产生缺页异常，内核就把该页框进行复制，并在进程页表中用复制的页来替换原来的页框，显然这个新的页框已经不在页高速缓存中了，对页框的内容进行修改将不会写回文件，其它进程将无法共享这个页框。如果本进程还未进行写复制，而其它进程修改了页的内容，本进程是可以获得更新后的数据）

因为映射文件的起动位移量受系统虚存页长度的限制，那么如果映射区的长度不是页长度的整数倍时，将如何呢？假定文件长12字节，系统页长为512字节，则系统通常提供512字节的映射区，其中后500字节被设0。可以修改这50字节，但任何变动都不会在文件中反映出来。（这是由于内核分配线性区和分配物理内存都是以页为单位）与映射存储区相关有两个信号： SIGSEGV和SIGBUS。信号SIGSEGV通常用于指示进程试图存取它不能存取的存储区。如果进程企图存数据到用mmap指定为只读的映射存储区，那么也产生此信号。如果存取映射区的某个部分，而在存取时这一部分已不存在，则产生