共享内存与内存映射(mmap)

    【前言】最近在一次电话面试的过程中，面试官问我相关的共享内存的知识，当时就认为是我在学习IPC进程间通信学习到的共享内存，所以就给面试官讲解了一下，然后，面试官说我是否知道在Linux下的存储映射I/O，当时我下意识的知道就是mmap函数，但是感觉自己对这两个理解还是不够深刻，所以，写一篇博客来记录一下。

　　首先关于共享内存的链接：共享内存。里面包含了创建共享内存区域的函数，以及两个进程怎么挂载共享内存通信，分离、释放共享内存。

　　共享内存的好处就是效率高，不需要太多次的进行数据的copy。可以直接进行读写内存。所以，相对来说在IPC进程间通信三大主题里面，共享内存要比消息队列使用多，共享内存不保证同步，而信号量用来保证共享内存同步。Linux中的两种共享内存。一种是我们的IPC通信System V版本的共享内存，另外的一种就是我们今天提到的存储映射I/O（mmap函数），当然还有一种POSIX的共享内存，它是在mmap基础之上构建的。

一、mmap

　　mmap I/O的描述符间接说明内存映射是对文件操作，另外，mmap另外可以在无亲缘的进程之间提供共享内存区，这样，类似的两个进程之间就是可以进行了通信。

　　Linux提供了内存映射函数mmap, 它把文件内容映射到一段内存上(准确说是虚拟内存上，运行着进程), 通过对这段内存的读取和修改, 实现对文件的读取和修改。mmap()系统调用使得进程之间可以通过映射一个普通的文件实现共享内存。普通文件映射到进程地址空间后，进程可以向访问内存的方式对文件进行访问，不需要其他内核态的系统调用(read,write)去操作。

　　内存映射，简而言之就是将用户空间的一段内存区域映射到内核空间，映射成功后，用户对这段内存区域的修改可以直接反映到内核空间，相反，内核空间对这段区域的修改也直接反映用户空间。那么对于内核空间<—->用户空间两者之间需要大量数据传输等操作的话效率是非常高的。

　　mmap系统调用并不完全是为了共享内存来设计的，它本身提供了不同于一般对普通文件的访问的方式，进程可以像读写内存一样对普通文件进行操作，IPC的共享内存是纯粹为了共享。

　　（1）mmap系统调用介绍：

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

　　这就是mmap系统调用的接口，mmap函数成功返回指向内存区域的指针，失败返回MAP_FAILED。

　　addr，某个特定的地址作为起始地址，当被设置为NULL，标识系统自动分配地址。实实在在的物理区域。

　　length说的是内存段的长度。

　　prot是用来设定内存段的访问权限。

prot参数	说明
PROT_READ	内存段可读
PROT_WRITE	内存段可写
PROT_EXEC	内存段可执行
PROT_NONE	内存段不能被访问

　　flags参数控制内存段内容被修改以后程序的行为。

flags参数	说明
MAP_SHARED	进程间共享内存，对该内存段修改反映到映射文件中。提供了POSIX共享内存
MAP_PRIVATE	内存段为调用进程所私有。对该内存段的修改不会反映到映射文件
MAP_ANNOYMOUS	这段内存不是从文件映射而来的。内容被初始化为全0
MAP_FIXED	内存段必须位于start参数指定的地址处，start必须是页大小的整数倍（4K整数倍）
MAP_HUGETLB	按照大内存页面来分配内存空间

　　fd参数是用来被映射文件对应的文件描述符。通过open系统调用得到。

　　offset设定从何处进行映射。

（2）mmap用于共享内存的方式

　　1、我们可以使用普通文件进行提供内存映射，例如，open系统调用打开一个文件，然后进行mmap操作，得到共享内存，这种方式适用于任何进程之间。

　　2、可以使用特殊文件进行匿名内存映射，这个相对的是具有血缘关系的进程之间，当父进程调用mmap，然后进行fork，这样父进程创建的子进程会继承父进程匿名映射后的地址空间，这样，父子进程之间就可以进行通信了。相当于是mmap的返回地址此时是父子进程同时来维护。

　　3、另外POSIX版本的共享内存底层也是使用了mmap。所以，共享内存在在posix上一定程度上就是指的内存映射了。https://www.cnblogs.com/LubinLew/p/POSIX-shared_memory.html

三、mmap和System V共享内存的比较

共享内存：

这是System V版本的共享内存（以下我们统称为shm），下面看下mmap的：

总结：

　　1、mmap是在磁盘上建立一个文件，每个进程地址空间中开辟出一块空间进行映射。而shm共享内存，每个进程最终会映射到同一块物理内存。shm保存在物理内存，这样读写的速度肯定要比磁盘要快，但是存储量不是特别大。

　　2、相对于shm来说，mmap更加简单，调用更加方便，所以这也是大家都喜欢用的原因。

　　3、另外mmap有一个好处是当机器重启，因为mmap把文件保存在磁盘上，这个文件还保存了操作系统同步的映像，所以mmap不会丢失，但是shmget在内存里面就会丢失。

　　4、总之，共享内存是在内存中创建空间，每个进程映射到此处。内存映射是创建一个文件，并且映射到每个进程开辟的空间中。

　　　   但在posix中的共享内存就是指这种使用文件的方式“内存映射”。参考：https://www.cnblogs.com/LubinLew/p/POSIX-shared_memory.html