Linux系统编程：使用 mmap 实现无血缘关系进程间通信

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在Linux系统编程中，进程间通信（IPC）是一个核心话题。虽然管道（Pipe/FIFO）非常常用，但它存在数据“读后即焚”且只能顺序读取的局限性。今天我们来深入探讨一种更高效、更灵活的通信方式——存储映射I/O（Memory-mapped I/O），即 mmap。

本文将重点介绍如何利用 mmap 在两个无血缘关系的进程之间，通过共享文件映射区传输结构体数据。

一、核心概念与优势

mmap 通过将一个磁盘文件映射到内存中，使得进程可以像访问内存一样直接操作文件。

相比于管道（FIFO），mmap 的主要优势在于：

数据持久性：映射区的数据对应物理文件，除非被覆盖，否则会一直保留（管道数据读完就消失）。重复读取：多个读进程可以同时、重复地读取同一份数据。高效：直接操作内存，减少了内核空间与用户空间之间的数据拷贝（零拷贝）。跨越血缘：只要能打开同一个文件，任意进程间均可通信。

二、场景设计：学生信息同步

为了演示通信过程，我们设计一个简单的场景：

数据结构：定义一个 student 结构体，包含 ID、姓名和年龄。写进程（Server）：创建一个文件并建立映射区，每隔2秒修改结构体中的 ID 值并写入映射区。读进程（Client）：打开同一个文件建立映射区，持续读取并打印结构体内容。

1. 公共头文件与结构体

首先，我们需要统一通信双方的数据协议。


// student.h
#ifndef STUDENT_H
#define STUDENT_H

typedef struct {
    int id;
    char name[256];
    int age;
} student;

#endif

三、代码实现

1. 写进程 (mmap_w.c)

写进程负责创建文件、设置文件大小，并初始化数据。

关键点解析：

open：使用 O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC，确保文件存在且被清空。ftruncate：非常重要。新创建的文件大小为0，直接映射会导致总线错误（Bus Error）。必须扩展文件大小至结构体大小。mmap：必须使用 MAP_SHARED，否则数据修改只在当前进程可见，无法同步到物理文件或其他进程。


/* mmap_w.c - 写进程 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include "student.h"

int main() {
    // 1. 打开文件，如果不存在则创建，若存在则截断为0
    int fd = open("test_map", O_RDWR | O_CREAT | O_TRUNC, 0644);
    if (fd == -1) {
        perror("open error");
        exit(1);
    }

    // 2. 扩展文件大小（物理文件大小必须足够容纳结构体）
    ftruncate(fd, sizeof(student));

    // 3. 创建映射区
    // 参数：NULL(系统自动分配地址), 长度, 读写权限, 共享模式, 文件描述符, 偏移量
    student *p = mmap(NULL, sizeof(student), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (p == MAP_FAILED) {
        perror("mmap error");
        exit(1);
    }

    // 4. 映射建立成功后，文件描述符可以关闭（可选）
    close(fd);

    // 5. 初始化数据
    student stu = {1, "xiaoming", 16};

    // 6. 循环修改共享内存中的数据
    while (1) {
        memcpy(p, &stu, sizeof(stu)); // 将数据写入映射区
        printf("Writer: id=%d, name=%s, age=%d
", stu.id, stu.name, stu.age);
        
        stu.id++; // 模拟数据更新
        sleep(2); // 写频率控制
    }

    // 7. 释放映射区（实际运行中while(1)无法到达此处，仅作完整性演示）
    munmap(p, sizeof(student));

    return 0;
}

2. 读进程 (mmap_r.c)

读进程不需要创建文件，只需要打开现有的文件进行映射。

关键点解析：

open：可以使用 O_RDONLY，但在某些系统中为了兼容性或如果需要写回，可能需要 O_RDWR。本例中我们只读。mmap：权限需与 open 对应。如果 open 是 O_RDONLY，这里只能是 PROT_READ。unlink：在进程结束时删除文件（可选），但在多进程通信中通常保留文件以便其他进程连接。


/* mmap_r.c - 读进程 */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include "student.h"

int main() {
    // 1. 打开同一个文件
    int fd = open("test_map", O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open error");
        exit(1);
    }

    // 2. 创建映射区 (注意：这里只需要读权限)
    student *p = mmap(NULL, sizeof(student), PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (p == MAP_FAILED) {
        perror("mmap error");
        exit(1);
    }

    // 3. 关闭文件描述符
    close(fd);

    // 4. 循环读取数据
    while (1) {
        printf("Reader: id=%d, name=%s, age=%d
", p->id, p->name, p->age);
        // 稍微休眠一下，降低CPU占用，同时观察数据的变化
        usleep(500000); // 0.5秒
    }

    munmap(p, sizeof(student));

    return 0;
}

四、编译与运行结果

1. 编译代码

确保目录下有 student.h, mmap_w.c, mmap_r.c。


gcc mmap_w.c -o mmap_w
gcc mmap_r.c -o mmap_r

2. 运行演示

你需要打开两个终端窗口。

终端 1 (运行写进程):


./mmap_w

输出结果：


Writer: id=1, name=xiaoming, age=16
Writer: id=2, name=xiaoming, age=16
Writer: id=3, name=xiaoming, age=16
...

终端 2 (运行读进程):
注意：你可以在写进程运行后的任意时间启动读进程，甚至可以启动多个读进程。


./mmap_r

输出结果：


Reader: id=1, name=xiaoming, age=16
Reader: id=1, name=xiaoming, age=16
Reader: id=1, name=xiaoming, age=16
Reader: id=1, name=xiaoming, age=16
Reader: id=2, name=xiaoming, age=16  <-- 数据随写进程更新
Reader: id=2, name=xiaoming, age=16
...