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  • 内存拷贝详解

    千次阅读 2021-11-25 10:32:47
    拷贝拷贝之mmap 零拷贝之sendfile 前置知识 标准设备 一个标准的硬件设备包括两部分: 面向系统其他部分展现的硬件接口(类似于软件的接口),供其他硬件或软件调用 内部结构,包括设备相关的特定实现,...

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    前置知识

    标准设备

     标准协议

    利用中断减少CPU开销

    利用DMA进行继续优化

    零拷贝

    零拷贝之mmap

    零拷贝之sendfile


    前置知识

    标准设备

    一个标准的硬件设备包括两部分:

    1. 面向系统其他部分展现的硬件接口(类似于软件的接口),供其他硬件或软件调用
    2. 内部结构,包括设备相关的特定实现,负责具体实现设备展示给系统的抽象接口

     标准协议

    一个标准设备的接口包含三个寄存器,通过读写这些寄存器,操作系统可以控制设备的行为:

    • 一个状态(status)寄存器,可以读取并查看设备的当前状态
    • 一个命令(command)寄存器,用于通知设备执行某个具体任务
    • 一个数据(data)寄存器,将数据传给设备或从设备接收数据

    操作系统与标准设备的交互:

    • 第1步,操作系统通过反复读取状态寄存器,等待设备进入可以接收命令的就绪状态。我们称之为轮询(polling)设备(基本上,就是问它正在做什么)。
    • 第2步,操作系统下发数据到数据寄存器。例如,你可以想象如果这是一个磁盘,需要多次写入操作,将一个磁盘块(比如4KB)传递给设备。如果主CPU参与数据移动(就像这个示例协议一样),我们就称之为编程的I/O(programmedI/O,PIO)。
    • 第3步,操作系统将命令写入命令寄存器;这样设备就知道数据已经准备好了,它应该开始执行命令。最后一步,操作系统再次通过不断轮询设备,等待并判断设备是否执行完成命令(有可能得到一个指示成功或失败的错误码)。

    缺点:轮询过程比较低效,等待设备就绪和等待设备执行完成命令浪费大量CPU时间

    利用中断减少CPU开销

    概念:有了中断后,CPU 不再需要不断轮询设备,而是向设备发出一个请求,然后就可以让对应进程睡眠,切换执行其他任务。当设备完成了自身操作,会抛出一个硬件中断,CPU进而跳转执行操作系统的中断处理程序,并且唤醒等待I/O的进程继续执行。

    例如,在没有中断操作的时候,进程1在CPU上运行,然后发出一个读取数据的IO请求给磁盘设备,然后操作系统进行自旋轮询设备(图中的P),设备完成请求之后,请求返回,进程1继续执行

     在有了中断以后,操作系统不需要轮询等待设备准备完成,可以去执行其他进程2,设备准备好之后发出中断,操作系统继续执行线程1

     中断工作流程图

    IO过程简述:

    1. 用户进程调用 read 方法,向cpu发出 I/O 请求
    2. cpu向磁盘发起IO请求给磁盘控制器,之后立马返回。返回之后cpu可以切换到其它进程执行其他任务
    3. 磁盘控制器收到指令后,于是就开始进行磁盘IO,磁盘IO完成后会把数据放入到磁盘控制器的内部缓冲区中,然后产生一个中断
    4. CPU 收到中断信号后,停下手头的工作,接着把磁盘控制器的缓冲区的数据读进内核的页缓存【这个过程是可以用DMA进行优化的】。
    5. 接着将数据从内核页缓存拷贝到用户进程空间【这个过程想要优化,只能用到我们上面说的异步IO】
    6. 最后read()调用返回。

    利用DMA进行继续优化

    上述采用中断的方式依旧可优化的地方,比如

    进程1在运行过程中需要向磁盘写一些数据,所以它开始进行IO操作将数据从内存写入磁盘设备(图中的C),拷贝结束之后,磁盘采用中断方式开始执行IO 

    也就是说在从内存拷贝到磁盘或者从磁盘拷贝到内存这个过程是可以使用DMA(Direct Memory Access)进行优化的

    DMA工作方式

    为了能够将数据传送给设备,操作系统会通过编程告诉DMA引擎数据在内存的位置,要拷贝的大小以及要拷贝到哪个设备。在此之后,操作系统就可以处理其他请求了。当DMA的任务完成后,DMA控制器会抛出一个中断来告诉操作系统自己已经完成数据传输。

    采用DMA优化后的工作流程图

     

    过程:

    1. 用户进程调用 read 方法,向cpu发出 I/O 请求
    2. cpu将IO请求交给DMA控制器,之后自己立马返回去执行其他进程的任务
    3. DMA向磁盘发起IO请求
    4. 磁盘控制器收到指令后,于是就开始进行磁盘IO,磁盘IO完成后会把数据放入到磁盘控制器的内部缓冲区中,然后产生一个中断
    5. DMA收到中断后,把磁盘控制器的缓冲区的数据读进内核的页缓存,接着抛出一个中断
    6. 操作系统收到中断后,调度cpu回来执行之前的进程:将数据从内核页缓存拷贝到用户进程空间【这一步还是只能用异步IO来优化】
    7. 最后read()调用返回。

    前置知识讲完了,下面进入正题

    零拷贝

    场景:将磁盘上的文件读取出来,然后通过网络协议发送给客户端

     

    发生了4次拷贝

    • 第一次拷贝,把磁盘上的数据拷贝到操作系统内核的缓冲区里,这个拷贝是通过 DMA 的。
    • 第二次拷贝,把内核缓冲区的数据拷贝到用户的缓冲区里,于是应用程序就可以使用这部分数据了,这个拷贝是由 CPU 完成的。
    • 第三次拷贝,把刚才拷贝到用户的缓冲区里的数据,再拷贝到内核的 socket 的缓冲区里,这个过程依然由 CPU 完成的。
    • 第四次拷贝,把内核的 socket 缓冲区里的数据,拷贝到协议栈里,这个过程又是由 DMA 完成的。

    优化方式

    零拷贝之mmap

    read() 系统调用的过程中会把内核缓冲区的数据拷贝到用户的缓冲区里,为了减少这一步开销,我们可以用 mmap() 替换 read() 系统调用函数。mmap() 系统调用函数会直接把内核缓冲区里的数据映射到用户空间,这样,操作系统内核与用户空间共享缓冲区,就不需要再进行任何的数据拷贝操作 。

    现在就只有三次数据拷贝了

    零拷贝之sendfile

    Linux2.1 版本提供了 sendFile 函数,其基本原理如下:数据根本不经过用户态,直接从内核缓冲区进入到 SocketBuffer 

    现在就只有两次上下文切换了。 

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  • 拷贝只复制指向某个对象的指针,源对象与拷贝对象共用一份实体(内存段),仅仅是引用的变量不同(名称不同),而不复制对象实体本身,新旧对象还是共享同一块内存。简而言之,浅拷贝可以拷贝这个对象的变量,但是...

    深拷贝和浅拷贝的示意图大致如下:
    在这里插入图片描述
    1.浅拷贝:
    浅拷贝只复制指向某个对象的指针,源对象与拷贝对象共用一份实体(内存段),仅仅是引用的变量不同(名称不同),而不复制对象实体本身,新旧对象还是共享同一块内存。简而言之,浅拷贝可以拷贝这个对象的变量,但是不能拷贝这个对象所引用的对象。
    浅拷贝就像一个队伍(疾风队)五个人,他们又新建了一个队伍叫德玛西亚队,里面的五个成员名(位置:上单、中单、下单、辅助、打野)也拷贝过去了,但是每个位置的成员还是疾风队的那五个人,并没有招来新人加入。

    2.深拷贝:
    深拷贝会另外创造一个一模一样的对象,重新申请了一段内存并把对象拷贝到新的内存段,源对象与拷贝对象互相独立。比较典型的例子就是Value(值)对象,即变量,如int、double、结构体、枚举等等。
    深拷贝就像克隆技术一样,使用张三基因克隆了一个和张三一模一样的人,取名李四,后期李四不管是缺胳膊少腿了,和原来的张三都没有任何关系。

    关于浅拷贝深拷贝的好文(C++类为介绍)https://blog.csdn.net/qq_41929943/article/details/102511696

    3.隐式共享:
    隐式共享又叫做回写复制。当两个对象共享同一份数据时(通过浅拷贝实现数据块的共享),如果数据不改变,不进行数据的复制。而当某个对象需要改变数据时则执行深拷贝。
    隐式共享实例:QString基于隐式共享实现,详细链接:https://www.icode9.com/content-4-646552.html
    4、引用拷贝
    二者的引用是同一个对象,并没有创建出一个新的对象,因为是同一个对象的引用,所以两者改一个,另一个对象的值也随之改变。

    4、赋值和浅拷贝的区别
    当我们把一个对象赋值给一个新的变量时,赋的其实是该对象的在栈中的地址,而不是堆中的数据。也就是两个对象指向的是同一个存储空间,无论哪个对象发生改变,其实都是改变的存储空间的内容,因此,两个对象是联动的。

    浅拷贝是按位拷贝对象,它会创建一个新对象,这个对象有着原始对象属性值的一份精确拷贝。如果属性是基本类型,拷贝的就是基本类型的值;如果属性是内存地址(引用类型),拷贝的就是内存地址 ,因此如果其中一个对象改变了这个地址,就会影响到另一个对象。即默认拷贝构造函数只是对对象进行浅拷贝复制(逐个成员依次拷贝),即只复制对象空间而不复制资源。

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  • Android View 的绘制是如何把数据传递给 SurfaceFlinger 的呢? 跨进程通信时,数据量大于1MB怎么传递呢?用匿名共享内存(Ashmem)...1. 简述Android 的 匿名共享内存(Ashmem) 基于 Linux 的共享内存,都是在临时文...

    Android View 的绘制是如何把数据传递给 SurfaceFlinger 的呢? 跨进程通信时,数据量大于1MB要怎么传递呢?用匿名共享内存(Ashmem)是个不错的选择,它不仅可以减少内存复制的次数,还没有内存大小的限制。这篇文章介绍在 Java 层如何使用匿名共享内存在进程间传递数据。

    1. 简述

    Android 的 匿名共享内存(Ashmem) 基于 Linux 的共享内存,都是在临时文件系统(tmpfs)上创建虚拟文件,再映射到不同的进程。它可以让多个进程操作同一块内存区域,并且除了物理内存限制,没有其他大小限制。相对于 Linux 的共享内存,Ashmem 对内存的管理更加精细化,并且添加了互斥锁。Java 层在使用时需要用到 MemoryFile,它封装了 native 代码。

    Java 层使用匿名共享内存的4个点:

    1.通过 MemoryFile 开辟内存空间,获得 FileDescriptor;

    2.将 FileDescriptor 传递给其他进程;

    3.往共享内存写入数据;

    4.从共享内存读取数据。

    下面用一个例子介绍匿名共享内存的使用,假设需要开辟一段共享内存,写入一些数据,再在另外一个进程读取这段数据。

    创建 MemoryFile 和 数据写入

    /**

    * 需要写入到共享内存中的数据

    */

    private val bytes = "落霞与孤鹜齐飞,秋水共长天一色。".toByteArray()

    /**

    * 创建 MemoryFile 并返回 ParcelFileDescriptor

    */

    private fun createMemoryFile(): ParcelFileDescriptor? {

    // 创建 MemoryFile 对象,1024 是最大占用内存的大小。

    val file = MemoryFile("TestAshmemFile", 1024)

    // 获取文件描述符,因为方法被标注为 @hide,只能反射获取

    val descriptor = invokeMethod("getFileDescriptor", file) as? FileDescriptor

    // 如果获取失败,返回

    if (descriptor == null) {

    Log.i("ZHP", "获取匿名共享内存的 FileDescriptor 失败")

    return null

    }

    // 往共享内存中写入数据

    file.writeBytes(bytes, 0, 0, bytes.size)

    // 因为要跨进程传递,需要序列化 FileDescriptor

    return ParcelFileDescriptor.dup(descriptor)

    }

    /**

    * 通过反射执行 obj.name() 方法

    */

    private fun invokeMethod(name: String, obj: Any): Any? {

    val method = obj.javaClass.getDeclaredMethod(name)

    return method.invoke(obj)

    }

    MemoryFile 有两个构造方法,上面是一种,另一种是根据已有的 FileDescriptor 创建。

    MemoryFile 创建时指定的大小并不是实际占用的物理内存大小,实际占用内存大小由写入的数据决定,但不能超过指定的大小。

    3. 将文件描述符传递到其他进程

    这里选择用 Binder 传递 ParcelFileDescriptor。

    我们定义一个 Code,用于 C/S 两端通信确定事件:

    /**

    * 两个进程在传递 FileDescriptor 时用到的 Code。

    */

    const val MY_TRANSACT_CODE = 920511

    再在需要的地方 bindService:

    // 创建服务进程

    val intent = Intent(this, MyService::class.java)

    bindService(intent, serviceConnection, Context.BIND_AUTO_CREATE)

    bind 成功之后将 文件描述符 和 数据大小 序列化,然后通过 Binder 传递到 Service 进程:

    private val serviceConnection = object: ServiceConnection {

    override fun onServiceConnected(name: ComponentName?, binder: IBinder?) {

    if (binder == null) {

    return

    }

    // 创建 MemoryFile,并拿到 ParcelFileDescriptor

    val descriptor = createMemoryFile() ?: return

    // 传递 FileDescriptor 和 共享内存中数据的大小

    val sendData = Parcel.obtain()

    sendData.writeParcelable(descriptor, 0)

    sendData.writeInt(bytes.size)

    // 保存对方进程的返回值

    val reply = Parcel.obtain()

    // 开始跨进程传递

    binder.transact(MY_TRANSACT_CODE, sendData, reply, 0)

    // 读取 Binder 执行的结果

    val msg = reply.readString()

    Log.i("ZHP", "Binder 执行结果是:「$msg」")

    }

    override fun onServiceDisconnected(name: ComponentName?) {}

    }

    两个进程的文件描述符指向同一个文件结构体,文件结构体指向了一片内存共享区域(ASMA),使得两个文件描述符对应到同一片ASMA中。

    4. 在其他进程接收 FileDescriptor 并读取数据

    先定义一个 MyService 用于开启子进程:

    class MyService : Service() {

    private val binder by lazy { MyBinder() }

    override fun onBind(intent: Intent) = binder

    }

    再实现具体的 MyBinder 类,主要包含3个步骤:

    1.从序列化数据中读取 FileDescriptor 和 共享内存中保存的数据大小;

    2.据 FileDescriptor 创建 FileInputStream;

    3.读取共享内存中的数据。

    /**

    * 这里不必使用 AIDL,继承 Binder 类 重写 onTransact 即可。

    */

    class MyBinder: Binder() {

    /**

    * 文件描述符 和 数据大小 通过 data 传入。

    */

    override fun onTransact(code: Int, data: Parcel, reply: Parcel?, flags: Int): Boolean {

    val parent = super.onTransact(code, data, reply, flags)

    if (code != MY_TRANSACT_CODE && code != 931114) {

    return parent

    }

    // 读取 ParcelFileDescriptor 并转为 FileDescriptor

    val pfd = data.readParcelable(javaClass.classLoader)

    if (pfd == null) {

    return parent

    }

    val descriptor = pfd.fileDescriptor

    // 读取共享内存中数据的大小

    val size = data.readInt()

    // 根据 FileDescriptor 创建 InputStream

    val input = FileInputStream(descriptor)

    // 从 共享内存 中读取字节,并转为文字

    val bytes = input.readBytes()

    val message = String(bytes, 0, size, Charsets.UTF_8)

    Log.i("ZHP", "读取到另外一个进程写入的字符串:「$message」")

    // 回复调用进程

    reply?.writeString("Server 端收到 FileDescriptor, 并且从共享内存中读到了:「$message」")

    return true

    }

    }

    这里拿到 FileDescriptor 后不仅可以读也能写入数据,还可以再创建一个 MemoryFile 对象。

    这就是Android匿名共享内存的使用啦~

    转载自:木质的旋律

    展开全文
  • 共享内存原理

    2021-05-13 01:37:36
    Linux的2.2.x内核支持多种共享内存方式,如mmap()系统调用,Posix共享内存,以及系统V共享内存共享内存可以说是最有用的进程间通信方式,也是最快的IPC形式。两个不同进程A、B共享内存的意思是,同一块物理内存被...

    Linux的2.2.x内核支持多种共享内存方式,如mmap()系统调用,Posix共享内存,以及系统V共享内存。

    共享内存可以说是最有用的进程间通信方式,也是最快的IPC形式。两个不同进程A、B共享内存的意思是,同一块物理内存被映射到进程A、B各自的进程地址空间。进程A可以即时看到进程B对共享内存中数据的更新,反之亦然。由于多个进程共享同一块内存区域,必然需要某种同步机制,互斥锁和信号量都可以。

    系统V共享内存原理

    进程间需要共享的数据被放在一个叫做IPC共享内存区域的地方,所有需要访问该共享区域的进程都要把该共享区域映射到本进程的地址空间中去。系统V共享内存通过shmget获得或创建一个IPC共享内存区域,并返回相应的标识符。内核在保证shmget获得或创建一个共享内存区,初始化该共享内存区相应的shmid_kernel结构注同时,还将在特殊文件系统shm中,创建并打开一个同名文件,并在内存中建立起该文件的相应dentry及inode结构,新打开的文件不属于任何一个进程(任何进程都可以访问该共享内存区)。所有这一切都是系统调用shmget完成的。

    mmap原理

    Linux 有一个系统调用叫 mmap(),这个 mmap() 可以把一个文件映射到进程的地址空间(进程使用的虚拟内存),这样进程就可以通过读写这个进程地址空间来读写这个文件。

    你可能会觉得奇怪,我明明写的是内存啊,怎么会变成写文件了呢?他们之间是怎么转化的呢?

    没错,你写的确实是内存,但是你写的这个内存不是普通的内存,你写在这个内存上的内容,过段时间后会被内核写到这个文件上面。而写文件,其实最后都会变成写数据到设备里(硬盘、Nand Flash 等)。

    mmap的优点主要在为用户程序随机的访问,操作,文件提供了一个方便的操作方法;其次就是为不同进程共享大批量数据提供高效的手段;另外就是对特大文件(无法一次性读入内存)的处理提供了一种有效的方法。

    共享内存原理

    内核里存在着一个特殊的文件系统,这个文件系统的存储介质不是别的,正是 RAM。

    在 shmget() 调用之后,系统会为你在这个文件系统上创建一个文件,但是这个时候仅仅是创建了这个文件。

    然后你就应该调用 shmat() 了,调用 shmat() 之后,内核会使用 mmap 把这个文件映射到你的进程地址空间,这个时候你就能直接读写映射后的地址了。

    过段时间,内核把你写的 内容写到了文件里面,但是,这个文件的存储介质是内存,所以他会怎么做?看明白了吧?

    答案:他会写入内存呀

    结论:使用内存映射文件来处理大文件可以提高效率。

    使用文件映射与不使用文件映射

    我们先来看看如果不使用内存映射文件的处理流程是怎样的,首先我们得先读出磁盘文件的内容到内存中,然后修改,最后回写到磁盘上。第一步读磁盘文件是要经过一次系统调用的,它首先将文件内容从磁盘拷贝到内核空间的一个缓冲区,然后再将这些数据拷贝到用户空间,实际上是两次数据拷贝。第三步回写也一样也要经过两次数据拷贝。

    所以我们基本上会有四次数据的拷贝了,因为大文件数据量很大,几十GB甚至更大,所以拷贝的开销是非常大的。

    而内存映射文件是操作系统的提供的一种机制,可以减少这种不必要的数据拷贝,从而提高效率。它由mmap()将文件直接映射到用户空间,mmap()并没有进行数据拷贝,真正的数据拷贝是在缺页中断处理时进行的,由于mmap()将文件直接映射到用户空间,所以中断处理函数根据这个映射关系,直接将文件从硬盘拷贝到用户空间,所以只进行了一次数据拷贝 ,比read进行两次数据拷贝要好上一倍,因此,内存映射的效率要比read/write效率高。

    一般来说,read write操作可以满足大多数文件操作的要求,但是对于某些特殊应用领域所需要的几十GB甚至更大的存储,这种通常的文件处理方法进行处理显然是行不通的。

    mmap将一个文件或者其它对象映射进内存。文件被映射到多个页上,如果文件的大小不是所有页的大小之和,最后一个页不被使用的空间将会清零。munmap执行相反的操作,删除特定地址区域的对象映射。

    当使用mmap映射文件到进程后,就可以直接操作这段虚拟地址进行文件的读写等操作,不必再调用read,write等系统调用.但需注意,直接对该段内存写时不会写入超过当前文件大小的内容.

    采用共享内存通信的一个显而易见的好处是效率高,因为进程可以直接读写内存,而不需要任何数据的拷贝。对于像管道和消息队列等通信方式,则需要在内核和用户空间进行四次的数据拷贝,而共享内存则只拷贝两次数据:一次从输入文件到共享内存区,另一次从共享内存区到输出文件。实际上,进程之间在共享内存时,并不总是读写少量数据后就解除映射,有新的通信时,再重新建立共享内存区域。而是保持共享区域,直到通信完毕为止,这样,数据内容一直保存在共享内存中,并没有写回文件。共享内存中的内容往往是在解除映射时才写回文件的。因此,采用共享内存的通信方式效率是非常高的。

    参考地址:

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  • Android Binder通信一次拷贝你真的理解了吗?

    千次阅读 多人点赞 2021-01-13 20:24:47
    最近有读者在询问一个关于Binder通信"一次拷贝"的问题,说在学习Binder驱动的实现中看到有多调用了copy_from_user和copy_to_user来进行数据的跨用户空间和内核空间的拷贝,但是为啥Android官方和绝大部分的博客...
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    2021-11-16 18:51:04
    System V共享内存一级目录二级目录三级目录 共享内存区是最快的IPC方式。一旦这样的内存映射到共享它的进程的地址空间,这些进程间数据传递不再涉及到内核,换句话说是进程不再通过执行进入内核的系统调用来传递彼此...
  • Linux共享内存实现机制的详解内存共享: 两个不同进程A、B共享内存的意思是,同一块物理内存被映射到进程A、B各自的进程地址空间。进程A可以即时看到进程B对共享内存中数据的更新,反之亦然。由于多个进程共享同一块...
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  • 0问题注意共享内存使用完,例如每次更新一张图像后.1断开映射,不然在映射的时候会认为不占用,重新随机映射地址,造成共享内存不停的再增大.shmdt("名字");2最后是用完释放共享内存shmctl(segment_id, IPC_RMID, 0)...
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    2020-12-19 20:07:10
    Linux为共享内存提供了四种操作。1. 共享内存对象的创建或获得。与其它两种IPC机制一样,进程在使用共享内存区域以前,必须通过系统调用sys_ipc (call值为SHMGET)创建一个键值为key的共享内存对象,或获得已经存在的...
  • 共享内存是一种最为高效的进程间通信方式,进程可以直接读写内存,而不需要任何数据的拷贝。它是IPC对象的一种。为了在多个进程间交换信息,内核专门留出了一块内存区,可以由需要访问的进程将其映射到自己的私有...
  • linux 共享内存 同步

    2021-05-12 07:12:18
    场景:Linux停多任务间...1.简介共享内存是一种最为高效的进程间通信方式,进程可以直接读写内存,而不需要任何数据的拷贝.为了在多个进程间交换信息,内核专门留出了一块内存区,可以由需要访问的进程将其映射到自己...
  • 1.什么是共享内存在前面讲虚拟内存机制时,有讲到Linux的内存映射机制:初始化虚拟内存区域时,会把虚拟内存和磁盘文件对象对应起来。由于内存映射机制,一个磁盘文件对象可被多个进程共享访问,也可被多个进程私有...
  • 对于像管道和消息队列等通信方式,则需要在内核和用户空间进行四的数据拷贝,而共享内存则只拷贝数据[1]:一从输入文件到共享内存区,另一共享内存区到输出文件。实际上,进程之间在共享内存时,并不...
  • 共享内存 ,同步机制

    2021-06-09 13:57:24
    共享内存,各个进程可以共享同一块物理内存,进程可以直接读写内存,不需要数据拷贝。由于多个进程共享一块内存,所以也需要同步机制一实现步骤步骤:本进程创建1) 创建内存映射文件对象 CreateFileMappingWindows ...
  • 4 通过内存拷贝将第一个文件的内存数据拷贝到新的文件内存中 5 释放资源 #include<stdio.h> #include<sys/mman.h> #include<fcntl.h> #include<unistd.h> #include<string.h> #...
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    2021-04-10 14:16:40
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