mmap的详细使用及函数参数意义

mmap的详细使用及函数参数意义
2011年07月03日
　　mmap
　　　　功能描述：
　　　　mmap将一个文件或者其它对象映射进内存。文件被映射到多个页上，如果文件的大小不是所有页的大小之和，最后一个页不被使用的空间将会清零。munmap执行相反的操作，删除特定地址区域的对象映射。
　　　　基于文件的映射，在mmap和munmap执行过程的任何时刻，被映射文件的st_atime可能被更新。如果st_atime字段在前述的情况下没有得到更新，首次对映射区的第一个页索引时会更新该字段的值。用PROT_WRITE 和 MAP_SHARED标志建立起来的文件映射，其st_ctime 和 st_mtime
　　　　在对映射区写入之后，但在msync()通过MS_SYNC 和 MS_ASYNC两个标志调用之前会被更新。
　　　　用法：
　　　　#include 
　　　　void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags,
　　　　int fd, off_t offset);
　　　　int munmap(void *start, size_t length);
　　　　参数：
　　　　start：映射区的开始地址。
　　　　length：映射区的长度。
　　　　prot：期望的内存保护标志，不能与文件的打开模式冲突。是以下的某个值，可以通过or运算合理地组合在一起
　　　　PROT_EXEC //页内容可以被执行
　　　　PROT_READ //页内容可以被读取
　　　　PROT_WRITE //页可以被写入
　　　　PROT_NONE //页不可访问
　　　　flags：指定映射对象的类型，映射选项和映射页是否可以共享。它的值可以是一个或者多个以下位的组合体
　　　　MAP_FIXED //使用指定的映射起始地址，如果由start和len参数指定的内存区重叠于现存的映射空间，重叠部分将会被丢弃。如果指定的起始地址不可用，操作将会失败。并且起始地址必须落在页的边界上。
　　　　MAP_SHARED //与其它所有映射这个对象的进程共享映射空间。对共享区的写入，相当于输出到文件。直到msync()或者munmap()被调用，文件实际上不会被更新。
　　　　MAP_PRIVATE //建立一个写入时拷贝的私有映射。内存区域的写入不会影响到原文件。这个标志和以上标志是互斥的，只能使用其中一个。
　　　　MAP_DENYWRITE //这个标志被忽略。
　　　　MAP_EXECUTABLE //同上
　　　　MAP_NORESERVE //不要为这个映射保留交换空间。当交换空间被保留，对映射区修改的可能会得到保证。当交换空间不被保留，同时内存不足，对映射区的修改会引起段违例信号。
　　　　MAP_LOCKED //锁定映射区的页面，从而防止页面被交换出内存。
　　　　MAP_GROWSDOWN //用于堆栈，告诉内核VM系统，映射区可以向下扩展。
　　　　MAP_ANONYMOUS //匿名映射，映射区不与任何文件关联。
　　　　MAP_ANON //MAP_ANONYMOUS的别称，不再被使用。
　　　　MAP_FILE //兼容标志，被忽略。
　　　　MAP_32BIT //将映射区放在进程地址空间的低2GB，MAP_FIXED指定时会被忽略。当前这个标志只在x86-64平台上得到支持。
　　　　MAP_POPULATE //为文件映射通过预读的方式准备好页表。随后对映射区的访问不会被页违例阻塞。
　　　　MAP_NONBLOCK //仅和MAP_POPULATE一起使用时才有意义。不执行预读，只为已存在于内存中的页面建立页表入口。
　　　　fd：有效的文件描述词。如果MAP_ANONYMOUS被设定，为了兼容问题，其值应为-1。
　　　　offset：被映射对象内容的起点。
　　　　返回说明：
　　　　成功执行时，mmap()返回被映射区的指针，munmap()返回0。失败时，mmap()返回MAP_FAILED[其值为(void *)-1]，munmap返回-1。errno被设为以下的某个值
　　　　EACCES：访问出错
　　　　EAGAIN：文件已被锁定，或者太多的内存已被锁定
　　　　EBADF：fd不是有效的文件描述词
　　　　EINVAL：一个或者多个参数无效
　　　　ENFILE：已达到系统对打开文件的限制
　　　　ENODEV：指定文件所在的文件系统不支持内存映射
　　　　ENOMEM：内存不足，或者进程已超出最大内存映射数量
　　　　EPERM：权能不足，操作不允许
　　　　ETXTBSY：已写的方式打开文件，同时指定MAP_DENYWRITE标志
　　　　SIGSEGV：试着向只读区写入
　　　　SIGBUS：试着访问不属于进程的内存区
　　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。
　　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。
　　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。
　　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
　　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。