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Linux使用mmap实现父子进程间的通信

2025-11-27 09:23:41 作者：郝学胜-神的一滴

在Linux系统中,进程间通信(IPC)是编程中常见的需求,传统的IPC方式包括管道、消息队列、共享内存、信号量等,mmap函数可以将文件映射到进程的地址空间,也可以用于创建匿名映射,从而实现进程间的内存共享,本文将详细介绍如何在Linux中使用mmap实现父子进程间的通信

引言

在Linux系统中，进程间通信(IPC)是编程中常见的需求。传统的IPC方式包括管道、消息队列、共享内存、信号量等。其中，共享内存是一种高效的IPC方式，因为它允许不同进程直接读写同一块内存区域，而不需要内核的介入。mmap(memory map)函数可以将文件映射到进程的地址空间，也可以用于创建匿名映射，从而实现进程间的内存共享。本文将详细介绍如何在Linux中使用mmap实现父子进程间的通信。

一、mmap基本概念

mmap是Linux系统提供的一个系统调用，用于将文件或设备映射到进程的地址空间。通过mmap，进程可以像访问内存一样访问文件或设备，而无需使用传统的read/write系统调用。

mmap函数原型如下：

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

参数说明：

addr：指定映射的起始地址，通常设为NULL让系统自动选择
length：映射区域的长度
prot：保护标志，如PROT_READ(可读)、PROT_WRITE(可写)等
flags：映射类型标志，如MAP_SHARED(共享)、MAP_PRIVATE(私有)等
fd：文件描述符，��于匿名映射设为-1
offset：映射的文件偏移量，通常为0

mmap成功时返回映射区域的起始地址，失败时返回MAP_FAILED((void*)-1)。

二、父子进程创建方式

在Linux中，可以通过多种方式创建父子进程：

fork()：创建一个与父进程几乎完全相同的子进程
vfork()：创建一个与父进程共享地址空间的子进程
clone()：更灵活地创建进程，可以指定共享的资源

最常用的是fork()函数，它创建的子进程是父进程的一个副本，拥有独立的地址空间。但是，通过mmap创建的匿名映射区域可以在父子进程间共享。

三、使用mmap实现父子进程通信

下面我们通过一个示例来展示如何使用mmap实现父子进程间的通信：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/wait.h>
#include <fcntl.h>

#define SHM_SIZE 1024

int main() {
    // 使用mmap创建匿名映射
    void *shared_mem = mmap(NULL, SHM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
    if (shared_mem == MAP_FAILED) {
        perror("mmap failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    pid_t pid = fork();
    
    if (pid < 0) {
        perror("fork failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程代码
        printf("Child process writing to shared memory\n");
        strcpy((char *)shared_mem, "Hello from child process!");
        
        // 子进程结束
        exit(EXIT_SUCCESS);
    } else {
        // 父进程代码
        // 等待子进程结束
        wait(NULL);
        
        printf("Parent process reading from shared memory: %s\n", (char *)shared_mem);
        
        // 解除映射
        if (munmap(shared_mem, SHM_SIZE) == -1) {
            perror("munmap failed");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }
    
    return 0;
}

代码解析：

首先使用mmap创建一个大小为1024字节的匿名映射区域，设置保护标志为PROT_READ | PROT_WRITE，表示可读可写；设置映射类型为MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS，表示这是一个共享的匿名映射。
使用fork()创建子进程。子进程会继承父进程的地址空间，包括mmap创建的共享内存区域。
在子进程中，向共享内存写入一条消息：“Hello from child process!”。
父进程通过wait()等待子进程结束，然后从共享内存中读取子进程写入的消息并打印。
最后，使用munmap()解除映射，释放共享内存资源。

四、注意事项和最佳实践

同步问题：由于多个进程可以同时访问共享内存，可能会出现数据竞争问题。可以使用信号量、互斥锁等同步机制来保证数据的一致性。
内存保护：合理设置mmap的保护标志，避免不必要的读写权限，提高安全性。
错误处理：对mmap、fork等系统调用进行充分的错误检查，确保程序的健壮性。
资源释放：确保在程序结束前调用munmap释放映射的内存区域，避免内存泄漏。
大小选择：根据实际需求选择合适的共享内存大小，避免浪费或不足。

五、扩展应用

mmap不仅可以用于父子进程间通信，还可以用于：

无亲缘关系的进程间通信：通过将文件映射到内存，不同进程可以访问同一个文件实现通信。
内存映射文件：将大文件映射到内存，可以高效地访问文件内容，而不需要将整个文件读入内存。
虚拟内存管理：mmap是Linux虚拟内存管理系统的重要组成部分，用于管理进程的地址空间。

六、进阶示例：带同步的父子进程通信

下面是一个更复杂的示例，展示了如何在父子进程间使用mmap和信号量进行同步通信：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/wait.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <semaphore.h>

#define SHM_SIZE 1024
#define SEM_NAME "/my_semaphore"

typedef struct {
    char message[SHM_SIZE];
    int ready;
} SharedData;

int main() {
    // 创建或打开信号量
    sem_t *sem = sem_open(SEM_NAME, O_CREAT, 0644, 0);
    if (sem == SEM_FAILED) {
        perror("sem_open failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    // 使用mmap创建匿名映射
    SharedData *shared_data = mmap(NULL, sizeof(SharedData), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
    if (shared_data == MAP_FAILED) {
        perror("mmap failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    pid_t pid = fork();
    
    if (pid < 0) {
        perror("fork failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    } else if (pid == 0) {
        // 子进程代码
        printf("Child process writing to shared memory\n");
        strcpy(shared_data->message, "Hello from child process with synchronization!");
        shared_data->ready = 1;
        
        // 通知父数据已准备好
        if (sem_post(sem) == -1) {
            perror("sem_post failed");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        
        // 子进程结束
        exit(EXIT_SUCCESS);
    } else {
        // 父进程代码
        // 等待子进程通知
        if (sem_wait(sem) == -1) {
            perror("sem_wait failed");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        
        printf("Parent process reading from shared memory: %s\n", shared_data->message);
        
        // 解除映射
        if (munmap(shared_data, sizeof(SharedData)) == -1) {
            perror("munmap failed");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        
        // 关闭并删除信号量
        if (sem_close(sem) == -1) {
            perror("sem_close failed");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        
        if (sem_unlink(SEM_NAME) == -1) {
            perror("sem_unlink failed");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }
    
    return 0;
}

这个示例展示了如何使用信号量来同步父子进程对共享内存的访问，确保父进程在子进程写入数据后才能读取数据。

七、总结

mmap是一种高效的进程间通信方式，特别适合需要大量数据交换的场景。通过合理使用mmap，可以实现父子进程间的高效通信。本文介绍了mmap的基本概念、父子进程创建方式，以及使用mmap实现父子进程通信的具体方法和注意事项。希望读者能够通过本文掌握mmap的使用，并在实际编程中灵活应用。

以上就是关于Linux父子进程使用mmap通信的详细介绍。mmap作为一种高效的IPC机制，在系统编程中有着广泛的应用。通过合理使用mmap，可以大大提高进程间通信的效率，减少数据拷贝的开销。

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