使用带有提示地址的 mmap 是全局变量的地址和 MAP_FIXED

Question

我有 2 个或更多进程访问共享内存。 我想在每个进程中创建一个全局变量，然后使用带有 MAP_FIXED 标志的 mmap API 将该变量的地址映射到共享内存。 因此，在读取/写入此共享内存时，我只需要访问全局变量（与我们在线程之间共享全局变量的方式相同，但这里我想在进程之间共享全局变量）。

我在每个进程中定义全局变量如下：

typedef struct     // This struct define the shared memory area
{
   int data1;
   int data2;
   // ...
} SharedMemory;

// the following attribute (supported by GCC) make the start address of the variable aligned to 4KB (PAGE_SIZE)
 __attribute__((aligned(4096))) SharedMemory gstSharedMemory; // shared global variable
 int giOtherVar = 10;                                              // Another normal global variable

然后使用 mmap 将共享内存映射到这个全局变量：

void* lpShmAddr = mmap(&gstSharedMemory,
                        sizeof(gstSharedMemory),
                        PROT_READ | PROT_WRITE,
                        MAP_SHARED | MAP_FIXED,
                        iFd,                        // File descriptor to the shared memory
                        0);

但是，如果sizeof(gstSharedMemory) 不是 PAGE_SIZE (4kb) 的倍数，并且由于操作系统将始终将映射大小四舍五入为页面大小的倍数，则四舍五入区域中的所有字节都将初始化为 0。 如果其他全局变量（例如：giOtherVar）的地址在这个四舍五入的区域内，可能会导致其数据为零。

为了克服这种情况，我使用一个字节数组来备份四舍五入的区域并恢复它，如下所示：

unsigned char byBkupShm[PAGE_SIZE]    =  { 0 } ;    
memcpy(&gbyBkupShm[0], 
      ((unsigned char*)&gstSharedMemory+ sizeof(gstSharedMemory)), 
       PAGE_SIZE - (sizeof(gstSharedMemory)% PAGE_SIZE));
void* lpShmAddr = mmap(&gstSharedMemory,
                        sizeof(gstSharedMemory),
                        PROT_READ | PROT_WRITE,
                        MAP_SHARED | MAP_FIXED,
                        iFd,                        // File descriptor to the shared memory
                        0);
 memcpy( ((unsigned char*)&gstSharedMemory+ sizeof(gstSharedMemory)), 
          &byBkupShm[0],
          PAGE_SIZE - (sizeof(gstSharedMemory)% PAGE_SIZE));

最后，我像这样访问共享内存：

// Write to shared memory:
gstSharedMemory.data1 = 5;

// Read from shared memory;
printf("%d", gstSharedMemory.data1);

我的问题是：这个实现有什么潜在的问题吗？

已编辑： 感谢@None 和他的想法，我定义了一个如下宏来使我的结构对齐并向上舍入到 PAGE_SIZE，但同时，如果我需要，仍然提供结构的实际大小：

#define PAGE_SIZE       (4 * 1024)                                  // Page Size: 4KB
#define SHM_REG          __attribute__((aligned(PAGE_SIZE)))        // Aligned to 4KB boundary

#define DEFINE_SHM( structName_, shmSizeVar_, structContent_)       \
typedef struct SHM_REG structContent_ structName_;                  \
int shmSizeVar_ = sizeof(struct structContent_);  



// Using

DEFINE_SHM(
    MySharedMemory,                 // Struct Name of shared memory
    giSizeOfMySharedMemory,         // Global Variable 
    {
        int a;
        int b;
        char c;
    }
);
    
printf("Rounded Size: %d\n", sizeof(MySharedMemory));  // = 4096
printf("Acutal Size: %d\n", giSizeOfMySharedMemory);   // = 12 

Answer 1

确保共享内存结构与页面大小对齐且大小为页面大小的倍数：

#include <stdlib.h>

#ifndef  PAGE_SIZE
#define  PAGE_SIZE  4096
#endif

typedef struct __attribute__((aligned (PAGE_SIZE))) {
    /*
     * All shared memory members
    */
} SharedMemory;

在运行时，在映射共享内存之前，先验证一下：

SharedMemory  blob;

    if (PAGE_SIZE != sysconf(_SC_PAGESIZE)) {
        ABORT("program compiled for a different page size");
    } else
    if (sizeof blob % PAGE_SIZE) {
        ABORT("blob is not sized properly");
    } else
    if ((uintptr_t)(&blob) % PAGE_SIZE) {
        ABORT("blob is not aligned properly");
    } else
    if (MAP_FAILED == mmap(...)) {
        ABORT("could not map shared memory over blob");
    }

虽然这是一种 hack，但至少在 Linux 中它是安全的。

Answer 2

是的，潜在的问题是 giOtherVar 现在也被共享了，因为整个页面都是共享的。

执行此操作的正常方法是不使用MAP_FIXED，让mmap 为您选择一个位置，并存储指针。你说你不能这样做，因为这将是一个巨大的代码更改。

可能有一种方法可以使用linker script 来强制gstSharedMemory 单独出现在页面上，但是链接器脚本很棘手。

您可以将 4096 字节的填充添加到 SharedMemory，使其始终大于 4096 字节，然后不共享最后一页（这可能与其他全局变量重叠）。

您可以在gstSharedMemory 之后添加一个未使用的 4096 字节数组，并且希望编译器会将其放在gstSharedMemory 之后。

您可以使 next 变量也对齐 4096 字节，并希望编译器不会决定将其他变量放在间隙中。

...或您可以只使用指针设计，然后使用#define gstSharedMemory (*gpstSharedMemory)，这样您就不必更改所有代码。