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linux多线(进)程编程——番外1：内存映射与mmap

news 2025/4/17 1:36:25

前言

在修真世界之外，无数异世界，其中某个叫地球的异世界中，一群人对共享内存的第二种使用方式做出了讲解。

内核空间与用户空间

内存空间的划分

Linux操作系统下一个进程的虚拟地址空间被分为用户空间与内核空间
Linux 内核空间在内存管理中是统一管理的。它通常位于虚拟内存空间的高地址部分。对于 32 位系统，用户空间和内核空间的划分通常是 3GB（用户空间）和 1GB（内核空间）。对于 64 位系统，虚拟内存空间更大，内核空间也相应地更大。
内核空间用于存放内核代码、内核数据结构（如进程控制块、文件系统数据结构等）和内核栈等。用户空间用于存放用户编写的程序代码以及代码中的变量等。
一个进程的内存空间分配

内核空间与用户空间的映射

内核空间的映射是通过页表来实现的。页表是内存管理单元（MMU）用来把虚拟地址转换为物理地址的映射表。
通过页表完成映射
内核空间中存储着和内核有关的代码，这是我们要思考一个问题，当不同进程切换时，如何处理内核空间才是最方便的？
答案就是共用内核空间，在 Linux 内核中，内核空间的页表是全局的，也就是说，它对所有进程都是一样的。不同进程的内核空间都会映射到一片物理内存上，避免每次进程切换时进行重复的地址映射浪费资源。实际的进程切换时，只有用户空间的页表发生变化，把用户空间的虚拟内存映射到物理地址上。如下图所示，图中省略了页表，但是大家要知道是页表在中间完成的映射。
在这里插入图片描述
因为内核空间的页表是全局的，所以不同进程的内核空间映射的物理内存是相同的。例如，当进程 A 和进程 B 都访问内核空间中的某个特定的虚拟地址时，这个虚拟地址通过内核空间的页表映射到相同的物理内存地址。不过，虽然内核空间映射的物理内存是相同的，但内核会通过一些机制来保护内核空间不被进程随意访问。例如，CPU 的保护机制会限制用户态进程对内核空间的访问权限，只有在内核态（如系统调用或中断处理时）才能访问内核空间，这样可以防止进程对内核空间的非法操作。

mmap映射实现共享内存

不知道大家看了上面的讲解是不是会在脑海中产生一个想法？我不妨用读心术将你们的想法读出来：
如果我在程序中可以直接操作属于内核空间的地址，是不是就可以直接实现共享内存了呢？
实际上，linux系统为大家提供了这种方法：mmap。

通过mmap实现共享内存

在 Linux 中，mmap 是一种强大的内存映射技术，用于将文件或其他对象映射到进程的地址空间中，从而实现高效的文件操作和内存共享。
函数原型：

void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);	// 映射
int munmap(void *addr, size_t length);		// 解除映射

参数说明：
start：映射的起始地址，通常设置为 NULL，让系统自动选择。
length：映射的字节数。
prot：映射区域的保护标志，如 PROT_READ（可读）、PROT_WRITE（可写）等。
flags：映射的选项，如 MAP_SHARED（共享映射）或 MAP_PRIVATE（私有映射）。
fd：要映射的文件描述符。
offset：文件中的偏移量，必须是页大小的整数倍。
addr：映射的虚拟地址，为mmap的返回值。

当使用mmap函数后，系统通过文件描述符fd找到对应的文件在硬盘上的位置，将这块区域映射到用户空间里。当flags为MAP_SHARED时即可实现共享内存的映射。
当我们访问这块空间是，操作系统会发起一个缺页异常（不是字面意思上的异常，类似一个中断）。内核通过映射关系将文件内容从磁盘拷贝到物理内存中，供进程访问。

mmap与管道的区别

管道与mmap都是使用文件完成的进程间通信，两者有一定的相似性，那么他们的区别是什么呢？
mmap更加高效，除了向共享内存中写入数据时需要刷新文件，读取时只要通过指针操作即可，这个操作发生在用户态。管道的写入与读取需要通过write()与read()函数。有相关知识的同学应该知道，这两个函数身份不一般，它们会发起系统调用让程序由用户态转化为内核态。
总之一句话，mmap更加高效。

代码案例

使用mmap技术写入文件

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>#define MMAP_SIZE   4096int main() {int fd = open("demo_file", O_RDWR | O_CREAT,  0777);ftruncate(fd, MMAP_SIZE);		// 拓展文件的大小char* addr = (char*)mmap(NULL, 4096, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);strcpy(addr, "hello, world!\n");munmap(addr, MMAP_SIZE);close(fd);return 0;
}

这里用到了一个新的文件函数：ftruncate()，用于改变文件的大小容量，文件大小要大于mmap映射的大小。
可以看到这里我们新建了一个文件叫demo_file。
运行后我们的当前源文件所在目录下会新建一个文件，我们使用cat指令查看他的内容，cat命令是用来查看文件中的文本的一个shell指令，大家可以学习一下。

cat demo_file	# cat [文件相对路径]

输出结果为：

lol@hyl:~/work/linux_study/Shared_memory/mmap_fun$ cat demo_file
hello, world!

可以看到我们成功的写入了数据，相比与使用write函数，这种方法更加简单方便，可以直接通过指针操作文件中的内存，此外与管道类似，由于文件是属于操作系统的，独立于进程之外的，因此在其他进程中也可以操作这个文件实现通信。。

接下来我们要实现两个进程的通信了，还是写两个程序。
proc1.c：每隔一秒写入一个字符

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>#define MMAP_SIZE   4096int main() {int fd = open("demo_file", O_RDWR | O_CREAT,  0777);ftruncate(fd, MMAP_SIZE);char* addr = (char*)mmap(NULL, 4096, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);for(int i = 0; i < MMAP_SIZE; i = i+1) {addr[i] = i%26 + 'a';sleep(1);}munmap(addr, MMAP_SIZE);close(fd);return 0;
}

proc2.c：每隔一秒读取一个字符

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>#define MMAP_SIZE   4096int main() {int fd = open("demo_file", O_RDWR | O_CREAT,  0777);ftruncate(fd, MMAP_SIZE);char* addr = (char*)mmap(NULL, 4096, PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);for(int i = 0; i < MMAP_SIZE; i++) {printf("%c\n", addr[i]);sleep(1);}munmap(addr, MMAP_SIZE);close(fd);return 0;
}

编译后在后台先运行p1并让出终端（之前讲过，在命令后加一个&），并直接运行p2。

lockin@qingfenfuqin:~/work/linux_study/Shared_memory/mmap_fun$ ./p1&
[1] 10883		# 这里10883是p1进程的pid，这个进程在后台运行
lockin@qingfenfuqin:~/work/linux_study/Shared_memory/mmap_fun$ ./p2