📄 linux环境进程间通信（五） 共享内存（上）.htm
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href="http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part5/index1.html#1">一、内核怎样保证各个进程寻址到同一个共享内存区域的内存页面</A></TD></TR>
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href="http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part5/index1.html#2">二、mmap()及其相关系统调用</A></TD></TR>
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href="http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part5/index1.html#3">三、mmap()范例</A></TD></TR>
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href="http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part5/index1.html#4">四、对mmap()返回地址的访问</A></TD></TR>
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href="http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part5/index1.html#resources">参考资料
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href="http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part5/index1.html#author">关于作者</A></TD></TR>
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href="http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part5/index1.html#rate">对本文的评价</A></TD></TR>
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<H1><SPAN style="COLOR: #999999">Linux环境进程间通信（五）:
</SPAN>共享内存（上）</H1><IMG class=display-img height=6 alt=""
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value=共享内存可以说是最有用的进程间通信方式，也是最快的IPC形式。两个不同进程A、B共享内存的意思是，同一块物理内存被映射到进程A、B各自的进程地址空间。进程A可以即时看到进程B对共享内存中数据的更新，反之亦然。由于多个进程共享同一块内存区域，必然需要某种同步机制，互斥锁和信号量都可以。
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<P>级别： 初级</P>
<P><A
href="http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part5/index1.html#author">郑彦兴</A>
(<A
href="mailto:mlinux@163.com?subject=共享内存（上）">mailto:mlinux@163.com?subject=共享内存（上）</A>),
国防科大攻读博士学位<BR></P>
<P>2003 年 5 月 01 日</P>
<BLOCKQUOTE>共享内存可以说是最有用的进程间通信方式，也是最快的IPC形式。两个不同进程A、B共享内存的意思是，同一块物理内存被映射到进程A、B各自的进程地址空间。进程A可以即时看到进程B对共享内存中数据的更新，反之亦然。由于多个进程共享同一块内存区域，必然需要某种同步机制，互斥锁和信号量都可以。</BLOCKQUOTE><!--START RESERVED FOR FUTURE USE INCLUDE FILES--><!-- include java script once we verify teams wants to use this and it will work on dbcs and cyrillic characters --><!--END RESERVED FOR FUTURE USE INCLUDE FILES-->
<P>采用共享内存通信的一个显而易见的好处是效率高，因为进程可以直接读写内存，而不需要任何数据的拷贝。对于像管道和消息队列等通信方式，则需要在内核和用户空间进行四次的数据拷贝，而共享内存则只拷贝两次数据[1]：一次从输入文件到共享内存区，另一次从共享内存区到输出文件。实际上，进程之间在共享内存时，并不总是读写少量数据后就解除映射，有新的通信时，再重新建立共享内存区域。而是保持共享区域，直到通信完毕为止，这样，数据内容一直保存在共享内存中，并没有写回文件。共享内存中的内容往往是在解除映射时才写回文件的。因此，采用共享内存的通信方式效率是非常高的。</P>
<P>Linux的2.2.x内核支持多种共享内存方式，如mmap()系统调用，Posix共享内存，以及系统V共享内存。linux发行版本如Redhat
8.0支持mmap()系统调用及系统V共享内存，但还没实现Posix共享内存，本文将主要介绍mmap()系统调用及系统V共享内存API的原理及应用。</P>
<P><A name=1><SPAN
class=atitle>一、内核怎样保证各个进程寻址到同一个共享内存区域的内存页面</SPAN></A></P>
<P>1、page cache及swap cache中页面的区分：一个被访问文件的物理页面都驻留在page cache或swap
cache中，一个页面的所有信息由struct page来描述。struct page中有一个域为指针mapping
，它指向一个struct address_space类型结构。page cache或swap
cache中的所有页面就是根据address_space结构以及一个偏移量来区分的。</P>
<P>2、文件与address_space结构的对应：一个具体的文件在打开后，内核会在内存中为之建立一个struct
inode结构，其中的i_mapping域指向一个address_space结构。这样，一个文件就对应一个address_space结构，一个address_space与一个偏移量能够确定一个page
cache 或swap
cache中的一个页面。因此，当要寻址某个数据时，很容易根据给定的文件及数据在文件内的偏移量而找到相应的页面。</P>
<P>3、进程调用mmap()时，只是在进程空间内新增了一块相应大小的缓冲区，并设置了相应的访问标识，但并没有建立进程空间到物理页面的映射。因此，第一次访问该空间时，会引发一个缺页异常。</P>
<P>4、对于共享内存映射情况，缺页异常处理程序首先在swap
cache中寻找目标页（符合address_space以及偏移量的物理页），如果找到，则直接返回地址；如果没有找到，则判断该页是否在交换区(swap
area)，如果在，则执行一个换入操作；如果上述两种情况都不满足，处理程序将分配新的物理页面，并把它插入到page
cache中。进程最终将更新进程页表。 <BR>注：对于映射普通文件情况（非共享映射），缺页异常处理程序首先会在page
cache中根据address_space以及数据偏移量寻找相应的页面。如果没有找到，则说明文件数据还没有读入内存，处理程序会从磁盘读入相应的页面，并返回相应地址，同时，进程页表也会更新。
</P>
<P>5、所有进程在映射同一个共享内存区域时，情况都一样，在建立线性地址与物理地址之间的映射之后，不论进程各自的返回地址如何，实际访问的必然是同一个共享内存区域对应的物理页面。
<BR>注：一个共享内存区域可以看作是特殊文件系统shm中的一个文件，shm的安装点在交换区上。 </P>
<P>上面涉及到了一些数据结构，围绕数据结构理解问题会容易一些。</P><BR>
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<TR>
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<TD vAlign=top align=right><A class=fbox
href="http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part5/index1.html#main"><B>回页首</B></A></TD></TR></TBODY></TABLE></TD></TR></TBODY></TABLE><BR><BR>
<P><A name=2><SPAN class=atitle>二、mmap()及其相关系统调用</SPAN></A></P>
<P>mmap()系统调用使得进程之间通过映射同一个普通文件实现共享内存。普通文件被映射到进程地址空间后，进程可以向访问普通内存一样对文件进行访问，不必再调用read()，write（）等操作。</P>
<P>注：实际上，mmap()系统调用并不是完全为了用于共享内存而设计的。它本身提供了不同于一般对普通文件的访问方式，进程可以像读写内存一样对普通文件的操作。而Posix或系统V的共享内存IPC则纯粹用于共享目的，当然mmap()实现共享内存也是其主要应用之一。</P>
<P><A name=N10070><SPAN
class=smalltitle>1、mmap()系统调用形式如下：</SPAN></A></P>
<P><A name=N10076><SPAN class=smalltitle></A></P>
<P>void* mmap ( void * addr , size_t len , int prot , int flags ,
int fd , off_t offset )
<BR>参数fd为即将映射到进程空间的文件描述字，一般由open()返回，同时，fd可以指定为-1，此时须指定flags参数中的MAP_ANON，表明进行的是匿名映射（不涉及具体的文件名，避免了文件的创建及打开，很显然只能用于具有亲缘关系的进程间通信）。len是映射到调用进程地址空间的字节数，它从被映射文件开头offset个字节开始算起。prot
参数指定共享内存的访问权限。可取如下几个值的或：PROT_READ（可读） , PROT_WRITE （可写）, PROT_EXEC
（可执行）, PROT_NONE（不可访问）。flags由以下几个常值指定：MAP_SHARED , MAP_PRIVATE ,
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