1、什么是共享内存

共享内存（Shared Memory）是一种高效的 进程间通信(IPC, Inter-Process Communication) 机制，它允许多个进程共享同一块内存区域。通过共享内存，进程可以直接读写同一块内存，避免了数据复制的开销，因此速度非常快。

2、mmap函数

头文件

#include <sys/mman.h>

函数定义

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

参数说明

addr

• 指定映射的起始地址。通常设置为 NULL，由内核自动选择合适的位置。

length

• 映射区域的长度（以字节为单位）。

prot

• 指定内存保护标志，控制进程对映射区域的访问权限。可以是以下值的组合：
  • PROT_READ：可读。
  • PROT_WRITE：可写。
  • PROT_EXEC：可执行。
  • PROT_NONE：不可访问。

flags

• 控制映射的行为。可以是以下值的组合：
  • MAP_SHARED：共享映射，对映射区域的修改会反映到文件中。
  • MAP_PRIVATE：私有映射，对映射区域的修改不会反映到文件中。
  • MAP_ANONYMOUS：匿名映射，不关联任何文件。
  • MAP_FIXED：强制使用指定的起始地址。

fd

• 文件描述符，指定要映射的文件。如果使用 MAP_ANONYMOUS，则设置为 -1。

offset

• 文件中的偏移量，表示从文件的哪个位置开始映射。通常设置为 0。

返回值

• 成功时，返回映射区域的起始地址。
• 失败时，返回 MAP_FAILED（即 (void *)-1），并设置 errno。

mmap 的常见用途

1、文件映射
将文件映射到内存中，直接通过内存访问文件内容，适合处理大文件或需要频繁访问的文件。

2、共享内存
使用 MAP_SHARED 标志创建共享内存，多个进程可以共享同一块内存区域。

3、匿名映射
使用 MAP_ANONYMOUS 创建匿名映射，用于动态分配内存或实现进程间的共享内存。

3、mmap对比read、write

通过mmap()操作文件比read()、write()要快，因为read()、write()会拷贝到缓冲区中，而mmap()不用，直接写到文件中
read() 和write()的工作流程

read()：

• 内核从磁盘读取数据到内核缓冲区。
• 数据从内核缓冲区拷贝到用户空间缓冲区。
• 应用程序访问用户空间缓冲区中的数据。

write()：

• 应用程序将数据写入用户空间缓冲区。
• 数据从用户空间缓冲区拷贝到内核缓冲区。
• 内核将数据从内核缓冲区写入磁盘。

在这个过程中，数据需要在内核缓冲区和用户空间缓冲区之间进行两次拷贝，这会增加额外的开销。

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mmap() 的工作流程

映射文件：

• 使用 mmap() 将文件直接映射到进程的地址空间。 文件的内容被映射到虚拟内存中，进程可以通过指针直接访问。

读写操作：

• 进程直接通过指针读写映射的内存区域。 操作系统负责将修改的数据同步到磁盘（通过页表机制）。

在这个过程中，数据不需要在用户空间和内核空间之间拷贝，因此减少了额外的开销。

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mmap优势
1、减少数据拷贝：
mmap() 避免了 read() 和 write() 中的两次数据拷贝，直接通过内存映射访问文件数据。

2、高效访问大文件：
对于大文件，mmap() 可以按需加载文件内容（通过页表机制），而不需要一次性将整个文件加载到内存中。

3、简化编程：
使用 mmap() 后，文件数据可以直接通过指针访问，编程更加直观。

4、共享内存：
多个进程可以映射同一个文件，实现高效的进程间通信。

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mmap的适用场景

1、大文件处理：
当需要处理大文件时，mmap() 可以按需加载数据，减少内存占用。

2、频繁随机访问：
如果需要对文件进行频繁的随机访问，mmap() 比 read() 和 write() 更高效。

3、进程间通信：
多个进程可以通过映射同一个文件实现共享内存。

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mmap 的局限性

内存映射大小：

• mmap() 映射的文件大小受限于虚拟地址空间的大小。

同步开销：

• 频繁修改映射区域时，操作系统需要将修改的数据同步到磁盘，可能会带来额外的开销。

复杂性：

• 使用 mmap() 需要处理页表、内存对齐等问题，编程复杂度较高。

4、munmap 函数

munmap 用于解除内存映射，释放映射区域。
头文件

#include <sys/mman.h>

函数定义

int munmap(void *addr, size_t length);

参数说明

• addr 映射区域的起始地址。
• length 映射区域的长度。

返回值

• 成功时，返回 0。
• 失败时，返回 -1，并设置 errno。

5、msync函数

功能：
msync 是一个在 Unix/Linux 系统中用于同步内存映射文件（memory-mapped file）与磁盘文件的系统调用函数。它的主要作用是将内存中对文件的修改写回到磁盘，或者从磁盘重新加载文件内容到内存，以确保内存和磁盘之间的数据一致性。

头文件

#include <sys/mman.h>

函数定义

int msync(void *addr, size_t length, int flags);

参数说明

• addr: 指向内存映射区域的起始地址。
• length: 需要同步的内存区域的长度。
• flags: 控制同步行为的标志，常用的标志包括：
  • MS_SYNC: 同步写操作，确保数据完全写入磁盘后才返回。
  • MS_ASYNC: 异步写操作，立即返回，不等待数据写入磁盘。
  • MS_INVALIDATE: 使缓存失效，强制从磁盘重新加载数据。

返回值

• 成功时返回 0。
• 失败时返回 -1，并设置 errno 来指示错误类型。

5.1、通过页表机制，将修改的数据同步到磁盘，那为什么还需要msync函数

一般说来，进程在映射空间的对共享内容的改变并不直接写回到磁盘文件中，往往在调用munmap（）后才执行该操作。可以通过调用msync()实现磁盘上文件内容与共享内存区的内容一致。

msync() 函数的作用是显式地将内存映射区域（mmap()
映射的文件）的修改同步到磁盘。虽然操作系统确实会通过页表机制将修改的数据同步到磁盘，但这种同步通常是延迟的，而不是立即执行的

为什么需要 msync()？

1、延迟写入（Lazy Write）：
操作系统为了提高性能，通常会延迟将修改的数据写入磁盘。修改的数据可能暂时保留在内存的页缓存中，直到满足以下条件之一：

• 内存不足，需要回收页缓存。
• 系统调用 sync() 或 fsync() 被触发。
• 文件被关闭或取消映射（munmap()）。

这种延迟写入机制可能导致数据在系统崩溃或断电时丢失。

2、显式控制同步时机：

• 使用 msync() 可以让应用程序显式控制何时将修改的数据写入磁盘，确保数据的持久性。
• 例如，在关键数据修改完成后立即调用 msync()，可以避免数据丢失的风险。

3、部分同步：
msync() 允许只同步内存映射区域的某一部分（通过指定地址和长度），而不是整个映射区域。这在处理大文件时可以提高效率。

4、跨进程共享映射：
如果多个进程共享同一个文件映射，一个进程修改数据后，其他进程可能无法立即看到修改结果。调用 msync() 可以确保修改的数据对其他进程可见。

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6、示例

6.1、使用mmap让进程之间通信，文件作为媒介

写入文件

#include <stdio.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>int main()
{//打开/建立文件char *filepath = "hello.txt";int fd = open(filepath,O_RDWR | O_CREAT,0666);if(fd < 0){perror("open file error");return -1;}//创建空洞文件if(ftruncate(fd,1024) < 0){perror("ftruncate error");close(fd);return -1;}//创建共享内存,并关联fd文件(建立好映射关系)void *addr = mmap(NULL,1024,PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);if(addr == (void*)-1){perror("mmap error");close(fd);return -1;}char *str = "abc";strcpy(addr,str);  //实现地址到地址的拷贝，比write效率更高//解除映射munmap(addr,1024);close(fd);}

从文件中读出

#include <stdio.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>int main()
{//打开/建立文件char *filepath = "hello.txt";int fd = open(filepath,O_RDWR | O_CREAT,0666);if(fd < 0){perror("open file error");return -1;}//创建共享内存,并关联fd文件(建立好映射关系)void *addr = mmap(NULL,1024,PROT_READ,MAP_SHARED,fd,0);if(addr == (void*)-1){perror("mmap error");close(fd);return -1;}char buf[128] = "";strncpy(buf,addr,sizeof(buf));printf("buf = %s\n",buf);//解除映射munmap(addr,1024);close(fd);}

6.3、修改文件，使用msync显示同步到磁盘

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() {int fd = open("test.txt", O_RDWR);struct stat sb;fstat(fd, &sb);// 映射文件到内存char *ptr = mmap(NULL, sb.st_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);// 修改文件内容strcpy(ptr, "Hello, mmap!");// 显式同步到磁盘if (msync(ptr, sb.st_size, MS_SYNC) == -1) {perror("msync failed");}// 取消映射munmap(ptr, sb.st_size);close(fd);return 0;
}

7、shmget shmat shmdt shmctl实现系统V共享内存

7.1、shmget() 函数

用于创建或获取一个共享内存段。

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

参数：

• key：共享内存段的键值。通常使用 ftok() 生成，或使用 IPC_PRIVATE 创建一个新的共享内存段。
• size：共享内存段的大小（字节）。
• shmflg：标志位，指定共享内存段的创建方式和权限。常用标志：
  • IPC_CREAT：如果共享内存段不存在，则创建它。
  • IPC_EXCL：与 IPC_CREAT 一起使用，如果共享内存段已存在，则返回错误。
  • 权限模式：如 0666，表示所有用户可读写。

返回值：

• 成功：返回共享内存段的标识符（shmid）。
• 失败：返回 -1，并设置 errno。

7.2 、shmat() 函数

将共享内存段映射到进程的地址空间。

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

参数：

• shmid：共享内存段的标识符（由 shmget() 返回）。
• shmaddr：指定映射地址。通常为 NULL，由系统自动选择。
• shmflg：标志位。常用标志：
  • SHM_RDONLY：以只读方式映射共享内存。

返回值：

• 成功：返回共享内存段的映射地址。
• 失败：返回 (void *)-1，并设置 errno。

7.3、shmdt() 函数

将共享内存段从进程地址空间中解除映射。

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

参数：

• shmaddr：共享内存段的映射地址（由 shmat() 返回）。

返回值：

• 成功：返回 0。
• 失败：返回 -1，并设置 errno。

7.4、shmctl() 函数

控制共享内存段（如删除或获取信息）。

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

参数：

• shmid：共享内存段的标识符（由 shmget() 返回）。
• cmd：控制命令。常用命令：
  • IPC_RMID：删除共享内存段。
  • IPC_STAT：获取共享内存段的状态信息，并存储到 buf 中。
  • IPC_SET：设置共享内存段的状态信息。
• buf：指向 shmid_ds 结构体的指针，用于存储或设置共享内存段的信息。

返回值：

• 成功：返回 0。
• 失败：返回 -1，并设置 errno。

注意:共享内存不会随着程序结束而自动消除，而且数据也在，要么调用shmctl删除,要么自己用手敲命令去删除，否则永远留在系统中。

7.5、示例

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <string.h>int main()
{//获取IPC标识符key_t key = ftok(".",'a');if(key < 0){perror("ftok error");return -1;}//创建共享内存int shmid = shmget(key,1024,0666 | IPC_CREAT);if(shmid < 0){perror("shmget error");return -1;}//建立共享内存的映射关系void *addr = shmat(shmid,NULL,0);if(addr == (void *)-1){perror("shmat error");return -1;}//写char *str = "hello";strcpy(addr,str);//读char buf[128] = "";strncpy(buf,addr,sizeof(buf));printf("buf = %s\n",buf);//解除映射关系if(shmdt(addr) < 0){perror("shmdt error");return -1;}//删除共享内存if(shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL) < 0){perror("shmctl rm error");return -1;}
}