mmap和msync使用内存映射可以实现进程间共享内存MAP_SHARED

Why Use Memory Map ？

1. 内存映射以页面为单位，将文件内容映射到内存中。
2. 使用内存映射可以创建内存映射文件。内存映射文件的优点是我们不需要调用 read 、write 之类的I/O函数，只需用从内存映射区取、存数据，实际的 I/O 操作是在背后由内核执行的。很多时候，这样做可以简化我们的代码。当然并不是所有的文件都可以被映射，比如终端和套接字文件就不能被映射。

3. 使用内存映射可以实现进程间共享内存。（以 MAP_SHARED 调用 mmap）


Functions

#include 

void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flag, int filedes, off_t off );

                                      Returns: starting address of mapped region if OK, MAP_FAILED on error

说明：
1. 参数 addr 指明 描述字 filedes 指定的文件在进程地址空间内的映射区的开始地址，必须是页面对齐的地址，通常设为 NULL ，让内核去选择开始地址。任何情况下，mmap 的返回值为内存映射区的开始地址。
2. 参数 len 指明 文件需要被映射的字节长度。off 指明文件的偏移量。通常 off 设为 0 。
    ※ 如果 len 不是页面的倍数，它将被扩大为页面的倍数。扩充的部分通常被系统置为 0 ，而且对其修改并不影响到文件。
    ※ off 同样必须是页面的倍数。通过 sysconf(_SC_PAGE_SIZE)可以获得页面的。大小。
3. 参数 prot 指明映射区的保护权限。通常有以下 4 种。通常是 PROT_READ | PROT_WRITE 。
    PROT_READ        可读
    PROT_WRITE       可写
    PROT_EXEC        可执行
    PROT_NONE       不能被访问

4. 参数 flag 指明映射区的属性。取值有以下几种。MAP_PRIVATE 与 MAP_SHARED 必选其一，MAP_FIXED 为可选项。
1）MAP_PRIVATE 指明对映射区数据的修改不会影响 真正的文件。
2）MAP_SHARED 指明对映射区数据的修改，多个共享该映射区的进程都可以看见，而且会反映到实际的文件。
3）MAP_FIXED 要求 mmap 的返回值必须等于 addr 。如果不指定 MAP_FIXED 并且 addr 不为 NULL ，则对 addr 的处理取决于具体实现。考虑到可移植性，addr 通常设为 NULL ，不指定 MAP_FIXED。

5. 当 mmap 成功返回时，filedes 就可以关闭，这并不影响创建的映射区。

#include 

int munmap(void *addr, size_t len);

                                                    Returns: 0 if OK, -1 on error

说明：
1. 进程退出的时候，映射区会自动删除。不过当不再需要映射区时，可以调用 munmap 显式删除。当映射区删除后，后续对映射区的引用会生成 SIGSEGV 信号。

#include 

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

                                                           Returns: 0 if OK, -1 on error

说明：
1. 当映射区数据被修改时，内核会稍后将其更新到文件。但有时候为了确保修改能被反映到文件，可以调用 msync 函数来进行同步操作。
2. 参数 addr 和 len 通常引用整个映射区，当然也可以指定映射区的一部分。
3. 参数 flags 控制回写到文件的具体方式。MS_ASYNC 、MS_SYNC 必须指定其一。
1）MS_ASYNC ，只是将写操作排队，并不等待写操作完成就返回。
2）MS_SYNC ，等待写操作完成后才返回。
3）MS_INVALIDATE ，作废与实际文件内容不一致缓存页，有的实现则是作废整个映射区的缓存页。后续的引用将从文件获取数据。



我们知道，共享内存可以用在非相关（unrelated）进程间进行通信。而对于相关（related）进程间的通信，一些实现提供了基于内存映射的不同的技术。下面两种就是。

(SVR 4 ) /dev/zero Memory Mapping

1. 可以将伪设备 "/dev/zero" 作为参数传递给 mmap 而创建一个映射区。/dev/zero 的特殊在于，对于该设备文件所有的读操作都返回值为 0 的指定长度的字节流 ，任何写入的内容都被丢弃。我们的兴趣在于用它来创建映射区，用 /dev/zero 创建的映射区，其内容被初始为 0 。
2. 使用 /dev/zero 的优点在于，mmap创建映射区时，不需要一个时间存在的文件，伪文件 /dev/zero 就足够了。缺点是只能用在相关进程间。相对于相关进程间的通信，使用线程间通信效率要更高一些。不管使用那种技术，对共享数据的访问都需要进行同步。
3. 关于 /dev/zero ，请参考 /dev/null 与 /dev/zero文件 （zz）

(4.4 BSD) Anonymous Memory Mapping

1. 匿名内存映射 与 使用 /dev/zero 类型，都不需要真实的文件。要使用匿名映射之需要向 mmap 传入 MAP_ANON 标志，并且 fd 参数 置为 -1 。
2. 所谓匿名，指的是映射区并没有通过 fd 与 文件路径名相关联。匿名内存映射用在有血缘关系的进程间。
3. 匿名内存映射的创建如下所示：

if ((area = mmap(0, SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE,
                  MAP_ANON | MAP_SHARED, -1, 0)) == MAP_FAILED)

A Example From UNPv2

#include    "unpipc.h"

struct shared {
sem_t    mutex;        /* the mutex: a Posix memory-based semaphore */
int    count;        /* and the counter */
} shared;

int
main(int argc, char **argv)
{
    int        fd, i, nloop;
    struct shared     *ptr;

    if (argc != 3)
        err_quit("usage: incr3 <#loops>");
    nloop = atoi(argv[2]);

        /* 4open file, initialize to 0, map into memory */
    fd = Open(argv[1], O_RDWR | O_CREAT, FILE_MODE);
    Write(fd, &shared, sizeof(struct shared));
    ptr = Mmap(NULL, sizeof(struct shared), PROT_READ | PROT_WRITE,
               MAP_SHARED, fd, 0);
    Close(fd);

        /* 4initialize semaphore that is shared between processes */
    Sem_init(&ptr->mutex, 1, 1);

    setbuf(stdout, NULL);    /* stdout is unbuffered */ （※）
    if (Fork() == 0) {        /* child */
        for (i = 0; i < nloop; i++) {
            Sem_wait(&ptr->mutex);
            printf("child: %d\n", ptr->count++);
            Sem_post(&ptr->mutex);
        }
        exit(0);
    }

        /* 4parent */
    for (i = 0; i < nloop; i++) {
        Sem_wait(&ptr->mutex);
        printf("parent: %d\n", ptr->count++);
        Sem_post(&ptr->mutex);
    }
    exit(0);
}

※ 代码中setbuf(stdout, NULL) 被解释为 是为了防止父子进程的输出相互影响，交错出现。
不过，为什么输出缓冲区设为 0 ， 父子进程间的输出就不影响了？不是很理解。


Referencing Memory-Mapping Objects

1. 对于映射区各区段的引用，其结果如下所示：
       
|-------------------------------------------| (file size)

                                                     remainder of page
|-------------------------------------------|-------------------------------|-------------------------------------| (mmap size)
\<-                               reference OK                            ->\<-           SIGBUS                ->\<- SIGSEGV

由于内存映射是以 页 为单位进行的，因而我们可以访问比实际文件大小还有大的区域，如上图所示那样。

2. 内核会跟踪所映射的文件的大小。我们总是能够引用当前文件大小之内，并且也在映射区之内的数据。也就是说我们可以利用 ftruncate 函数动态的更新的文件的大小，而由该文件映射的共享内存同时也会自动更新。






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小技巧：生成固定大小的文件

fd = Open(PATHNAME, O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, FILE_MODE);
    Lseek(fd, filesize-1, SEEK_SET);
    Write(fd, "", 1);