Unix/Linux環境C程式設計入門教程(27) 記憶體那些事兒

1. calloc() free() getpagesize() malloc() mmap() munmap()函式介紹

1. Linux檔案與檔案描述符的概念

• 檔案的概念

  大多數資源，Linux都是以檔案的方式來訪問。

Linux中主要的檔案型別分為4種：普通檔案、目錄檔案、連結檔案和裝置檔案

Linux中的檔案屬性：

-rwx rwx rwx

首先，Linux中檔案的擁有者可以把檔案的訪問屬性設成3種不同的訪問許可權：可讀（r）、可寫（w）和可執行（x）。

檔案又有3種不同的使用者級別：檔案擁有者（u）、所屬的使用者組（g）和系統裡的其他使用者（o）

第一個字元顯示檔案的型別：

"-"表示普通檔案

"d"表示目錄檔案

"l"表示連結檔案

"c"表示字元裝置

"b"表示塊裝置

"p"表示命名管道比如FIFO檔案

"f"表示堆疊檔案比如LILO檔案

第一個字元之後的3個三位字元組：

第一個三位字元組表示檔案擁有者（u）對該檔案的許可權

第二個三位字元組表示檔案使用者組（g）對該檔案的許可權

第三個三位字元組表示系統其他使用者（o）對該檔案的許可權

若該使用者組對此沒有許可權，一般顯示"-"字元

如圖所示：

• 檔案描述符。

檔案描述符是個很小的正整數，它是一個索引值，指向核心為每個程式所維護的該程式開啟檔案的記錄表。

1. 記憶體對映機制與系統呼叫

   實際上,記憶體對映機制並不是完全為了共享記憶體的目的而設計的,它本身提供了不同於一般普通檔案的訪問方式,程式可以像訪問記憶體一樣對普通檔案程式操作.而POSIX或System V共享記憶體IPC則純粹是用於共享記憶體的目的.當然記憶體對映實現共享記憶體,也是記憶體對映的應用之一

   記憶體對映機制的用途: A、以訪問記憶體的方式讀寫檔案; B、實現共享記憶體;

    

   mmap()系統呼叫:
      mmap()系統呼叫使得程式之間通過對映同一個普通檔案而實現共享記憶體的目的.普通檔案被對映到程式的地址空間之後,程式就可以像訪問普通記憶體一樣對檔案進行訪問,不必再呼叫read()、write()等系統呼叫操作.

      mmap()系統呼叫介紹:
      void* mmap(void* addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

      該函式在程式的地址空間與檔案物件或共享記憶體物件之間建立一種對映關係;

      addr  :該引數指定檔案應該被對映到程式地址空間的起始地址,一般被指定為一個空指標,此時,程式把選擇起始地址的任務留給核心來完成了.這個地址是程式地址空間中需要對映到檔案中的記憶體區域的首地址;也就是說,在程式地址空間中用於檔案對映的記憶體區域的首地址;

      len   :檔案被對映到呼叫程式的地址空間中的位元組數,它從被對映檔案開頭offset個位元組處開始算起,取len個位元組,把檔案中的這len個位元組的檔案空間對映到程式的地址空間中;

      port  :指定檔案被對映到記憶體中之後的訪問許可權.可取的值有:PORT_READ(可讀)、PORT_WRITE(可寫)、PORT_EXEC(可執行)、PORT_NONE(不可訪問);
      flags :對映標記;取值如下:MAP_SHARED、MAP_PRIVATE、MAP_FIXED,其中,MAP_SHARED和MAP_PRIVATE必選其一,而MAP_FIXED則不推薦使用;

      fd    :即將被對映到程式地址空間中的檔案的描述符.一般由系統呼叫open()返回;同時,fd可以指定為-1,此時,必須指定flags引數中的MAP_ANON,表明程式的是匿名對映(不涉及具體的檔名,避免了檔案的建立及開啟,很顯然,只能用於具有親屬關係的程式之間的通訊).

      offset:從檔案開頭計算offset個位元組處開始對映;也就是,檔案中需要被對映的檔案內容的起始地址,這個起始地址的計算是以檔案開頭為參照的;這個引數一般取值為0,表示從檔案開頭處開始對映;
      返回值:檔案最終對映到程式地址空間中的起始地址;程式可直接以該地址為有效的起始地址進行操作;也就是檔案中開始對映的起始位元組點到程式中對應對映記憶體區的起始地址點處的一個對映;換句話就是說,在程式地址空間中用於檔案對映的記憶體區域的首地址;

   系統呼叫mmap()用於共享記憶體的兩種方式:
      A、使用普通檔案提供的記憶體對映/共享記憶體:適用於任何程式之間;此時,需要使用系統呼叫open()事先開啟或建立一個檔案,然後再呼叫mmap():
         fd = open(filename, flag, mode);
         ......
         ptr = mmap(NULL, len, PORT_READ|PORT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
        五、解除記憶體對映關係:
      當程式間通訊結束時,需要解除檔案頁面空間到程式地址空間之間的對映關係;也就說,程式通訊結束時,需要把掛載到程式地址空間上的檔案解除安裝下來;這個任務由系統呼叫munmap();
      int munmap(void* addr, size_t len);
      該系統呼叫用於在程式地址空間中結束對映關係;
      addr:是呼叫mmap()返回的程式地址空間中用於檔案對映的記憶體區域的首地址;
      len :程式地址空間中對映區域的大小,單位:位元組;
      當對映關係解除之後,對原來對映地址的訪問將導致段錯誤發生;
      返回值: -1:失敗; 0:成功;
   記憶體對映的同步:
      一般來說,程式在對映空間中對共享內容的修改並不會直接寫回到磁碟檔案中,可以通過呼叫msync()來實現磁碟上檔案內容與共享記憶體區中的內容與一致

2. 小試牛刀

   整體流程就是：

   1. 首先開啟一個檔案，讀取出檔案資訊
   2. 根據檔案長度分配相應長度的堆記憶體
   3. Mmap函式做記憶體對映
   4. 從記憶體對映中開始拷貝內容
   5. 輸出函式返回的地址開始的內容
   6. 輸出完畢之後關閉記憶體對映檔案
   7. 輸出拷貝的檔案
   8. 釋放記憶體
   9. 關閉檔案描述符

   原始碼：

   #include <stdio.h>
   #include <unistd.h>
   #include <sys/mman.h>
   #include <sys/types.h>
   #include <sys/stat.h>
   #include <fcntl.h>
   #include <stdlib.h>
    
   #include <string.h>
   int main()
   {
   int fd;//檔案描述符
   char *start = NULL,*flag = NULL;//指標接收檔案影射的開始地址
   struct stat st;
   printf("page size = %d\n",getpagesize( ) );
   fd=open("read.log",O_RDONLY); /*開啟/etc/passwd*/
   if(fd < -1) //開啟失敗
   return -1;
   printf("開啟成功\n");
   fstat(fd,&st); /*取得檔案大小*/
   start =(char *) malloc(st.st_size+1);
   if(start == NULL)
   return -1;
   printf("記憶體分配成功\n");
   flag=mmap(start,st.st_size,PROT_READ,MAP_PRIVATE,fd,0); /*私有不共享*/
   if(flag == MAP_FAILED && start != flag) /*判斷是否對映成功*/
   return -1;
   printf("對映成功\n");
    
   printf("%s",flag);
   memcpy(start,flag,st.st_size);
   printf("輸出完成\n");
   munmap(start,st.st_size); /*解除對映*/
   printf("解除對映完畢\n");
            return 0;
   }

   
   
   
3. 各個平臺的執行情況

   首先建立testmem.c

   

   再建立read.log

   

   在RHEL7上的執行情況

   

   

   在RHEL6上

   

   

   在MAC上

    

   

   在Solaris上

   先進入桌面

   

   將兩個檔案都拷貝過來