一、背景

共享內(nèi)存使用場景：當(dāng)有一個超大的文件，如何能快速的讀寫？

文件是存儲在磁盤上的，要快速的讀寫一個大文件，可以通過共享內(nèi)存的方式（mmap等）。mmap內(nèi)部是使用的DMA技術(shù)，DMA是內(nèi)存和磁盤之間的傳輸方式，有自己的指令，不需要CPU的參與。

零拷貝技術(shù)：我們常說的拷貝，是需要CPU參與的，通過CPU指令將文件內(nèi)容復(fù)制一份到內(nèi)存中。所謂的零拷貝，就是不需要CPU的參與，而不是其他的意思。零拷貝有mmap和shm*接口這些方式實(shí)現(xiàn)。

二、內(nèi)存映射mmap

應(yīng)用程序和內(nèi)核或磁盤直接數(shù)據(jù)交互，可以通過映射內(nèi)存塊的方式。

mmap()：將文件或設(shè)備映射到內(nèi)存。

munmap()：將文件或設(shè)備取消映射到內(nèi)存。

函數(shù)原型：

#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);

mmap的內(nèi)存即不在堆也不在棧上，是一塊獨(dú)立的空間。

2.1、mmap()

mmap()在調(diào)用進(jìn)程的虛擬地址空間中創(chuàng)建一個新的映射。新映射的起始地址在addr中指定。length參數(shù)指定映射的長度。

如果addr為空，則內(nèi)核選擇創(chuàng)建映射的地址；這是創(chuàng)建新映射的最可移植方法。 如果addr不為空，則內(nèi)核將其作為一個提示，提示將映射放置在何處；在Linux上，映射將在附近的頁面邊界處創(chuàng)建。新映射的地址作為調(diào)用的結(jié)果返回。

文件映射的內(nèi)容（與匿名映射相反；參見下面的MAP_MAP_ANONYMOUS）使用文件描述符fd所引用的文件（或其他對象）中從偏移量offset開始的length字節(jié)進(jìn)行初始化。offset必須是sysconf(_SC_PAGE_SIZE)返回的頁面大小的倍數(shù)。

prot參數(shù)描述了映射所需的內(nèi)存保護(hù)（不得與文件的打開模式?jīng)_突）。它是PROT_NONE或以下一個或多個標(biāo)志的位OR：

flags參數(shù)確定映射的更新是否對映射相同區(qū)域的其他進(jìn)程可見，以及更新是否傳遞到基礎(chǔ)文件。通過在標(biāo)志中包含以下值中的一個來確定此行為：

此外，以下值中的零個或多個可以在flag中進(jìn)行“或”運(yùn)算：

返回值：成功后，mmap()返回指向映射區(qū)域的指針。錯誤時，返回值MAP_FAILED（即，（void*）-1），并設(shè)置errno以指示錯誤原因。

2.2、munmap()

munmap()系統(tǒng)調(diào)用刪除指定地址范圍的映射，并導(dǎo)致對該范圍內(nèi)地址的進(jìn)一步引用生成無效內(nèi)存引用。當(dāng)進(jìn)程終止時，區(qū)域也會自動取消映射。另一方面，關(guān)閉文件描述符不會取消區(qū)域映射。

地址addr必須是頁面大小的倍數(shù)（但長度不必是）。包含指定范圍一部分的所有頁面均未映射，對這些頁面的后續(xù)引用將生成SIGSEGV。如果指示的范圍不包含任何映射頁，則不是錯誤。

返回值：成功時，munmap()返回0。失敗時，它返回-1，errno被設(shè)置為指示錯誤原因（可能是EINVAL）。

錯誤代碼

使用映射區(qū)域可產(chǎn)生以下信號：

2.3、流程

（1）打開文件

（2）取文件大小

（3）把文件映射成虛擬內(nèi)存

（4）通過對內(nèi)存的讀寫來實(shí)現(xiàn)對文件的讀寫

（5）卸載映射

（6）關(guān)閉文件

2.4、示例代碼

#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);
    if (fd == -1)
        handle_error("open");
    if (fstat(fd, &sb) == -1)           /* To obtain file size */
        handle_error("fstat");
    offset = atoi(argv[2]);
    pa_offset = offset & ~(sysconf(_SC_PAGE_SIZE) - 1);
        /* offset for mmap() must be page aligned */
    if (offset >= sb.st_size) {
        fprintf(stderr, "offset is past end of file\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    if (argc == 4) {
        length = atoi(argv[3]);
        if (offset + length > sb.st_size)
            length = sb.st_size - offset;
                /* Can't display bytes past end of file */
    } else {    /* No length arg ==> display to end of file */
        length = sb.st_size - offset;
    }
    addr = mmap(NULL, length + offset - pa_offset, PROT_READ,
                MAP_PRIVATE, fd, pa_offset);
    if (addr == MAP_FAILED)
        handle_error("mmap");
    s = write(STDOUT_FILENO, addr + offset - pa_offset, length);
    if (s != length) {
        if (s == -1)
            handle_error("write");
        fprintf(stderr, "partial write");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

三、shm*接口

共享內(nèi)存就是允許兩個不相關(guān)的進(jìn)程訪問同一個內(nèi)存塊。共享內(nèi)存是在兩個正在運(yùn)行的進(jìn)程之間共享和傳遞數(shù)據(jù)的一種非常有效的方式。進(jìn)程可以將同一段共享內(nèi)存連接到它們自己的地址空間中，所有進(jìn)程都可以訪問共享內(nèi)存中的地址。而如果某個進(jìn)程向共享內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)，所做的改動將立即影響到可以訪問同一段共享內(nèi)存的任何其他進(jìn)程。

共享內(nèi)存并未提供同步機(jī)制，也就是說，在第一個進(jìn)程結(jié)束對共享內(nèi)存的寫操作之前，并無自動機(jī)制可以阻止第二個進(jìn)程開始對它進(jìn)行讀取。所以，通常需要用其他的機(jī)制來同步對共享內(nèi)存的訪問，例如信號量。

3.1、shmget()

創(chuàng)建共享內(nèi)存。函數(shù)原型：

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

描述：shmget()返回與參數(shù)key的值關(guān)聯(lián)的System V共享內(nèi)存段的標(biāo)識符。如果key的值為IPC_PRIVATE或key不是IPC_PRIVATE，不存在與key對應(yīng)的共享內(nèi)存段，并且在shmflg中指定了IPC_CREAT，則會創(chuàng)建一個大小等于size值的新共享內(nèi)存段（向上舍入為PAGE_SIZE的倍數(shù)）。

如果shmflg同時指定IPC_CREAT和IPC_ EXCL，并且key已經(jīng)存在共享內(nèi)存段，則shmget()將失敗，錯誤號設(shè)置為EEXIST。【這類似于open()的組合O_CREAT|O_EXCL的效果。】

值shmflg由以下組成：

除上述標(biāo)志外，shmflg的最低有效9位指定授予所有者、組和其他人的權(quán)限。這些位的格式和含義與open()的模式參數(shù)相同。目前，系統(tǒng)不使用執(zhí)行權(quán)限。

返回值：成功后，將返回有效的共享內(nèi)存標(biāo)識符。出現(xiàn)錯誤時，返回-1，并設(shè)置errno以指示錯誤。

錯誤：失敗時，錯誤號設(shè)置為以下之一：

3.2、shmat()

啟動對該共享內(nèi)存的訪問，并把共享內(nèi)存連接到當(dāng)前進(jìn)程的地址空間，函數(shù)原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

描述：shmat()將由shmid標(biāo)識的System V共享內(nèi)存段附加到調(diào)用進(jìn)程的地址空間。附加地址由shmaddr根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)之一指定：

（1）如果shmaddr為空，系統(tǒng)將選擇一個合適的（未使用的）地址來連接段。

（2）如果shmaddr不為空，并且在shmflg中指定了SHM_RND，則附加發(fā)生在等于shmaddr的地址處，向下舍入到SHMLBA的最近倍數(shù)。

（3）否則，shmaddr必須是發(fā)生附加的頁對齊地址。

除了SHM_RND，還可以在shmflg位掩碼參數(shù)中指定以下標(biāo)志：

呼叫進(jìn)程的brk()值不被附加改變。該段將在進(jìn)程退出時自動分離。同一段可以作為讀寫段附加在進(jìn)程的地址空間中，并且可以多次附加。

成功的shmat()調(diào)用更新與共享內(nèi)存段相關(guān)聯(lián)的shmid_ds結(jié)構(gòu)的成員【參見shmctl()】，如下所示：
shm_ atime被設(shè)置為當(dāng)前時間。

shm_ lpid被設(shè)置為調(diào)用進(jìn)程的進(jìn)程ID。

shm_natch遞增1。

返回值：成功時，shmat()返回附加共享內(nèi)存段的地址；錯誤時，返回（void*）-1，并設(shè)置errno以指示錯誤原因。

錯誤：當(dāng)shmat()失敗時，errno設(shè)置為以下之一：

3.3、shmdt()

將共享內(nèi)存從當(dāng)前進(jìn)程中分離。注意，將共享內(nèi)存分離并不是刪除它，只是使該共享內(nèi)存對當(dāng)前進(jìn)程不再可用。函數(shù)原型：

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
int shmdt(const void *shmaddr);

描述：shmdt()將位于shmaddr指定地址的共享內(nèi)存段從調(diào)用進(jìn)程的地址空間中分離。要分離的段當(dāng)前附加的shmaddr必須等于附加的shmat()調(diào)用返回的值。

參數(shù)shmaddr是shmat()函數(shù)返回的地址指針。

在成功調(diào)用shmdt()時，系統(tǒng)更新與共享內(nèi)存段關(guān)聯(lián)的shmid_ds結(jié)構(gòu)的成員，如下所示：
shm_ atime被設(shè)置為當(dāng)前時間。
shm_ lpid被設(shè)置為調(diào)用進(jìn)程的進(jìn)程ID。
shm_natch減1。

返回值：成功時，shmdt()返回0；在出現(xiàn)錯誤時，返回-1，并設(shè)置errno以指示錯誤原因。

錯誤：當(dāng)shmdt()失敗時，errno設(shè)置如下：

3.4、shmctl()

控制共享內(nèi)存。函數(shù)原型：

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

描述：shmctl()對系統(tǒng)V共享內(nèi)存段執(zhí)行cmd指定的控制操作，該段的標(biāo)識符在shmid中給出。
buf參數(shù)是指向shmid_ds結(jié)構(gòu)的指針，如下：

struct shmid_ds {
	   struct ipc_perm shm_perm;    /* Ownership and permissions */
	   size_t          shm_segsz;   /* Size of segment (bytes) */
	   time_t          shm_atime;   /* Last attach time */
	   time_t          shm_dtime;   /* Last detach time */
	   time_t          shm_ctime;   /* Last change time */
	   pid_t           shm_cpid;    /* PID of creator */
	   pid_t           shm_lpid;    /* PID of last shmat(2)/shmdt(2) */
	   shmatt_t        shm_nattch;  /* No. of current attaches */
	   ...
};

ipc_perm結(jié)構(gòu)定義如下：

struct ipc_perm {
    key_t          __key;    /* Key supplied to shmget(2) */
    uid_t          uid;      /* Effective UID of owner */
    gid_t          gid;      /* Effective GID of owner */
    uid_t          cuid;     /* Effective UID of creator */
    gid_t          cgid;     /* Effective GID of creator */
    unsigned short mode;     /* Permissions + SHM_DEST and
                                SHM_LOCKED flags */
    unsigned short __seq;    /* Sequence number */
};

返回值：成功的IPC_INFO或SHM_INFO操作將返回內(nèi)核內(nèi)部數(shù)組中記錄所有共享內(nèi)存段信息的最高使用項的索引。（此信息可與重復(fù)的SHM_STAT操作一起使用，以獲得有關(guān)系統(tǒng)上所有共享內(nèi)存段的信息。）成功的SHM_STAT操作返回其索引在shmid中給出的共享內(nèi)存段標(biāo)識符。其他操作成功時返回0。
出現(xiàn)錯誤時，返回-1，并適當(dāng)設(shè)置errno。

3.5、流程

總結(jié)

共享內(nèi)存，可以大大加快對文件或設(shè)備的讀寫操作。共享內(nèi)存的方式有mmap和shmget 、 shmat。

所謂的零拷貝，就是不需要CPU的參與，而不是其他的意思。

mmap內(nèi)部其實(shí)是一個DMA技術(shù)。

以上就是深入學(xué)習(xí)C語言mmap和shm*的使用方法技巧的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于C語言mmap shm*方法的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！