Linux进程间通信--共享内存

jackalwb

2020-06-05

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本系列文章主要是学习记录Linux下进程间通信的方式。

常用的进程间通信方式：管道、FIFO、消息队列、信号量以及共享存储。

参考文档：《UNIX环境高级编程（第三版）》

参考视频：Linux进程通信推荐看看，老师讲得很不错

Linux核心版本：2.6.32-431.el6.x86_64

注：本文档只是简单介绍IPC，更详细的内容请查看参考文档和相应视频。

本文介绍利用共享内存进行进程间的通信

1 介绍

共享存储允许两个或多个进程共享一个指定的存储区。当有进程正在往共享存储中写入数据时，其它进程不能从共享存储中取数据。通常使用信号量来同步共享存储的访问。
多个进程都可把该共享内存映射到自己的虚拟内存空间。所有用户空间的进程若要操作共享内存，都要将其映射到自己虚拟内存空间中，通过映射的虚拟内存空间地址去操作共享内存，从而达到进程间的数据通信。
共享内存是进程间共享数据的一种最快的方法。一个进程先共享内存区写入了数据，共享这个内存区域的所有进程就可以立即看到其中的内容。
本身不提供同步机制，可通过信号量进行同步。
提升数据处理效率，一种效率最高的IPC机制。

2 共享内存属性

struct shmid_ds {
    struct ipc_perm shm_perm;    /* Ownership and permissions */
    size_t          shm_segsz;   /* Size of segment (bytes) */
    time_t          shm_atime;   /* Last attach time */
    time_t          shm_dtime;   /* Last detach time */
    time_t          shm_ctime;   /* Last change time */
    pid_t           shm_cpid;    /* PID of creator */
    pid_t           shm_lpid;    /* PID of last shmat(2)/shmdt(2) */
    shmatt_t        shm_nattch;  /* No. of current attaches */
    ...
};

3 使用步骤

使用shmget函数创建共享内存；
使用shmat函数创建共享内存，将这段创建的共享内存映射到具体的进程虚拟内存空间中。

4 函数原型

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
说明：创建共享内存
返回：成功返回内存中共享内存的的标识ID；失败返回-1；
参数key：用户指定的共享内存键值；
参数size：共享内存大小；
参数shmflg：IPC_CREAT、IPC_EXCL等权限组合。

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
说明：共享内存控制
参数shmid：共享内存ID；
参数buf：共享内存属性指针；
参数cmd：IPC_STAT：获取共享内存段属性；IPC_SET：设置共享内存段属性；          IPC_RMID：删除共享内存段；SHM_LOCK：锁定共享内存段页面（页面映射到屋里内存不和外存进行换入换出操作）；          SHM_UNLOCK：解除共享内存段页面的锁定。

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
说明：共享内存映射
返回：成功返回共享内存映射到进程虚拟内存空间中的地址；失败返回-1；
int shmdt(const void *shmaddr);
说明：共享内存解除映射；
返回：如果失败，则返回-1；
参数shmid：共享内存ID；
参数shmaddr：映射到进程虚拟内存空间的地址，建议设置为0，由操作系统分配；
参数shmflg：若shmaddr设置为0，则shmflg也设置为0。SHM_RND：随机；SHMLBA：地址为2的乘方；SHM_RDONLY：只读方式链接。
注：子进程不继承父进程创建的共享内存，大家是共享的，子进程继承父进程映射的地址。

5 实现案例

（1）案例一：同步使用共享内存

父进程向共享内存中写入数据，子进程等待父进程写入数据并从中读取数据。对共享进程的同步使用管道实现。

管道的头文件：

#ifndef __TELL_H__
#define __TELL_H__

//管道初始化
extern void init(void);

//利用管道进行等待
extern void wait_pipe(void);

//利用管道进行通知
extern void notify_pipe(void);

//销毁管道
extern void destroy_pipe(void);

#endif

管道的C文件：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "tell.h"

static int fd[2];

//管道初始化
void init(void)
{
    if (pipe(fd) < 0) {
        perror("pipe error");
    }
}

//利用管道进行等待
void wait_pipe(void)
{
    char c;
    //管道读写默认是阻塞性的
    if (read(fd[0], &c, 1) < 0) {
        perror("wait pipe error");
    }
}

//利用管道进行通知
void notify_pipe(void)
{
    char c = ‘c‘;
    if (write(fd[1], &c, 1) != 1) {
        perror("notify pipe error");
    }
}

//销毁管道
void destroy_pipe(void)
{
    close(fd[0]);
    close(fd[1]);    
}

父子进程对共享进程的访问：

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(void)
{
    int shmid; 
    if ((shmid = shmget(IPC_PRIVATE, 1024, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0777)) < 0) {
        perror("shmget error");
        exit(1);
    }
    pid_t pid;
    init();  //初始化管道
    if ((pid = fork()) < 0) {
        perror("fork error");
        exit(1);
    } else if (pid > 0) {  //父进程
        int *pi = (int *)shmat(shmid, 0, 0);
        if (pi == (int *)-1) {
            perror("shmat error");
            exit(1);
        }
        //往共享内存中写入数据（通过操作映射的地址即可）
        *pi = 100;
        *(pi + 1) = 20;
        //操作完毕，解除共享内存的映射
        shmdt(pi);
        //通知子进程读取数据
        notify_pipe();
        //销毁管道
        destroy_pipe();
        //等待子进程结束
        wait(0);
    } else {  //子进程
        //子进程阻塞，等待父进程先往内存中写入数据
        wait_pipe();
        //子进程从共享内存中读取数据
        //子进程进行共享内存的映射
        int *pi = (int *)shmat(shmid, 0, 0);
        if (pi == (int *)-1) {
            perror("shmat error");
            exit(1);
        }
        printf("start: %d, end: %d\n", *pi, *(pi+1));
        //读取完毕后解除映射
        shmdt(pi);
        //删除共享内存
        shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
        //销毁管道
        destroy_pipe();
    }

    return 0;
}

测试步骤：

1、编译：[ ipc]# gcc -o bin/cal_shm -Iinclude tell.c cal_shm.c

2、运行：

Linux进程间通信--共享内存