UNIX: 通过共享内存进行进程间通信

从表面上看，UNIX? 应用程序单独控制底层主机。它随时可以访问处理器，它的内存是神圣不可侵犯的，连接它的设备只为它服务。但是表面现象会骗人，这样有如君主一般的绝对地位只是幻想而已。UNIX 系统同时运行大量应用程序，有限的物理资源要在它们之间共享。处理器能力被划分为时间片，应用程序映像经常被换入和换出真实内存，设备访问由需求驱动，还受到访问权限的限制。尽管您的 shell 提示符不断闪烁，但是 UNIX 系统并非只是等着您发出命令，在幕后有许多活动正在进行。

尽管涉及一些复杂的机制，但是大多数应用程序不会注意到资源实际上是共享的，它们似乎是独享资源。但是，可以编写相互交互的应用程序。例如，一个应用程序收集或生成数据，而另一个应用程序同时监视进度并分析信息。另一个例子是即时交换消息的聊天系统，其中有两个对等的应用程序相互收发数据。Secure Shell (ssh) 也是这样，它可以在两个完全不同的主机之间进行协作。在这些情况下，代码都要连接另一段独立的代码以交换信息，这常常需要使用某种协议协商和控制交换过程。

UNIX 为实现这样的进程间通信 提供了多种技术。一些技术提供同一主机上的进程间通信，其他技术可以实现主机到主机的信息交换。另外，各种技术的速度不同，所以必须选择最合适自己需求的技术。还必须进行协调（实施时间控制和排他控制）。例如，如果一个应用程序产生数据，另一个应用程序消费数据，那么当读完共享池时消费者必须停下来等待生产者。另一方面，如果消费者无法足够快地读取池，生产者必须慢下来或暂停。

表 1 总结在典型的 UNIX 系统上可用的进程间通信形式。
表 1. UNIX 中的进程间通信

名称	说明	范围	用途
文件	在典型的 UNIX 文件中读写数据。任意数量的进程都可以互操作。	本地	共享大数据集
管道	使用专用的文件描述符在两个进程之间传输数据。通信只在父进程和子进程之间进行。	本地	简单的数据共享，比如生产者和消费者
命名管道	通过专用的文件描述符在进程之间交换数据。通信可以在同一主机上的任意两个对等进程之间进行。	本地	生产者和消费者或命令-控制，比如 MySQL 和它的命令行查询工具
信号	通过中断通知应用程序某一情况。	本地	无法在信号中传输数据，所以信号主要用于进程管理
共享内存	通过在同一内存段中读写数据共享信息。	本地	任何类型的协作，尤其适合需要安全性的情况
套接字	完成特殊的设置过程之后，使用一般的输入/输出操作传输数据。	本地或远程	FTP、ssh 和 Apache Web Server 等网络服务

正如前面提到的，每种技术满足不同的需求。假设多个进程之间的协作的复杂性大体相当，每种方法的优点和缺点如下：

• 通过一般的 UNIX 文件共享数据很简单，因为它使用大家熟悉的文件操作。但是，通过文件系统共享数据很慢，因为磁盘输入和输出操作的效率远远比不上内存。另外，只通过文件读写数据很难协调。最后，在文件中保存敏感数据是不安全的，因为根用户和拥有特权的其他用户可以访问这些信息。对于只读或只写的数据，适合使用文件。
• 管道和命名管道也很简单。它们在连接的两端使用两个标准的文件描述符 — 一个只执行读操作，另一个只执行写操作。但是，管道只能在父进程和子进程之间使用，不能在任意两个进程之间使用。命名管道克服了这个缺点，是在同一系统上交换数据的好方法。但是，管道和命名管道都不提供随机访问，因为它们都作为先入先出 (FIFO) 设备。
• 信号无法在进程之间传输数据。一般情况下，信号应该只用于在进程之间通知异常情况。
• 共享内存适合比较大的数据集，因为它使用内存，支持快速的随机访问。共享内存的实现有点儿复杂，尽管如此，对于多个进程之间的主机内 协作，共享内存是不错的方法。
• 套接字的功能与命名管道很相似，但是可以跨主机。本地套接字 （也称为 UNIX 套接字）只能进行本地（同一主机上的）连接。Inet 和 Inet6 套接字分别使用 IPv4 和 IPv6 协议，它们接受远程连接（也可以通过本地机器的 Internet 寻址机制接受本地连接）。网络应用程序显然应该选择套接字，比如分布式处理或 web 浏览器。所需的代码比命名管道复杂一点儿，但是模式是固定的，在任何 UNIX 网络编程书中都有介绍。

现在不考虑主机间 应用程序通信，看看如何通过共享内存在同一主机上进行进程间通信。

共享内存的工作方式

顾名思义，共享内存让一段内存可供多个进程访问。用特殊的系统调用（即对 UNIX 内核的请求）分配和释放内存并设置权限；通过一般的读写操作读写内存段中的数据。

共享内存并不是从某一进程拥有的内存中划分出来的；进程的内存总是私有的。共享内存是从系统的空闲内存池中分配的，希望访问它的每个进程连接它。这个连接过程称为映射，它给共享内存段分配每个进程的地址空间中的本地地址。图 1、图 2、图 3 和 图 4 说明此过程：

1. 假设在同一系统上有两个进程 A 和 B 正在运行（见 图 1），它们可以通过共享内存进行协作和共享信息。在图中 A 和 B 采用不同大小的图形，以此强调应用程序不必相同。
   
   图 1. 两个进程在同一个主机上运行，执行不同的代码
   
   
   
2. 在 图 2 中，进程 A 请求一个共享内存段。进程 A 对这个内存段进行初始化，让它准备好接受访问。这个过程还给内存段命名，让其他进程可以找到它。通常，内存段名称并不是动态分配的；而是众所周知的，比如使用头文件中的常量，其他代码可以方便地引用它。
   
   图 2. 一个进程请求共享内存段
   
   
   
3. 进程 A 把共享内存段连接（即映射）到自己的地址空间。进程 B 通过它的命名管道找到这个内存段，也把它映射到自己的地址空间，见 图 3。两个进程扩大了，表示包含共享内存段。
   
   图 3. 两个进程连接（即映射）共享内存段
   
   
   
4. 最后，在 图 4 中，进程 A 和 B 可以随意读写共享内存段。按照与本地进程内存相同的方式对待共享内存。read() 和 write() 的作用与一般情况下一样。
   
   图 4. 两个或更多进程现在可以通过共同的内存共享数据
   
   
   

这些图中所示的许多工作可以通过 UNIX 共享内存 API 执行。实际上，有两套共享内存 API：POSIX API 和比较老（但是仍然有效）的 System V API。因为 POSIX 是 UNIX 和 Linux? 及其衍生系统上的公认标准，所以我们使用此版本。另外，POSIX API 使用简单的文件描述符执行读写，大家应该更熟悉。

POSIX 为创建、映射、同步和取消共享内存段提供五个入口点：

• shm_open()：创建共享内存段或连接到现有的已命名内存段。这个系统调用返回一个文件描述符。
• shm_unlink()：根据（shm_open() 返回的）文件描述符，删除共享内存段。实际上，这个内存段直到访问它的所有进程都退出时才会删除，这与在 UNIX 中删除文件很相似。但是，调用 shm_unlink() （通常由原来创建共享内存段的进程调用）之后，其他进程就无法访问这个内存段了。
• mmap()：把共享内存段映射到进程的内存。这个系统调用需要 shm_open() 返回的文件描述符，它返回指向内存的指针。（在某些情况下，还可以把一般文件或另一个设备的文件描述符映射到内存。对这些操作的讨论超出了本文的范围；具体方法请查阅操作系统的 mmap() 文档。）
• munmap()：作用与 mmap() 相反。
• msync()：用来让共享内存段与文件系统同步 — 当把文件映射到内存时，这种技术有用。

使用共享内存的过程是，用 shm_open() 创建内存段，用 write() 或 ftruncate() 设置它的大小，用 mmap() 把它映射到进程内存，执行其他参与者需要的操作。当使用完时，原来的进程调用 munmap() 和 shm_unlink()，然后退出。

示例应用程序

清单 1 给出一个简单的共享内存示例。（代码取自 John Fusco 撰写的 The Linux Programmer's Toolbox 一书 [由 Prentice Hall Professional 于 2007 年 3 月出版，ISBN 0132198576]，已经得到出版商的使用授权。）代码实现通过共享内存段通信的父进程和子进程。

清单 1. 共享内存示例

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

void error_and_die(const char *msg) {
  perror(msg);
  exit(EXIT_FAILURE);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
  int r;
  const char *memname = "sample";
  const size_t region_size = sysconf(_SC_PAGE_SIZE);

  int fd = shm_open(memname, O_CREAT | O_TRUNC | O_RDWR, 0666);
  if (fd == -1)
    error_and_die("shm_open");

  r = ftruncate(fd, region_size);
  if (r != 0)
    error_and_die("ftruncate");

  void *ptr = mmap(0, region_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
  if (ptr == MAP_FAILED)
    error_and_die("mmap");
  close(fd);

  pid_t pid = fork();
  if (pid == 0) {
    u_long *d = (u_long *) ptr;
    *d = 0xdbeebee;
    exit(0);
  }
  else {
    int status;
    waitpid(pid, &status, 0);
    printf("child wrote %#lx\n", *(u_long *) ptr);
  }

  r = munmap(ptr, region_size);
  if (r != 0)
    error_and_die("munmap");

  r = shm_unlink(memname);
  if (r != 0)
    error_and_die("shm_unlink");

  return 0;
}

下面是代码中的一些要点：

• 对 shm_open() 的调用看起来应该很熟悉；它与 open() 函数很相似，包括初始化内存段和设置权限的方式。在这里，内存段是全局可读、全局可写的。如果调用成功，返回下一个未使用的文件描述符；否则，返回 -1 并相应地设置 errno。
• ftruncate() 把文件的大小设置为 region_size 字节，这以前设置为系统的标准页面大小。sysconf() 是 libc 的组成部分。（还可以使用 shell 工具 getconf 检查系统的配置设置。）
• mmap() 连接共享内存段，返回用于对内存段直接读写字节的指针。PROT_READ 和 PROT_WRITE 分别表示可以读和写这个内存段中的页面。MAP_SHARED 表示对这个内存段的任何修改应该向所有参与共享的进程 “公开”。
• 如果您使用过 fork()，那么应该熟悉代码的计算部分。执行 fork 之后，父进程和子进程获得打开的所有文件描述符和数据值的拷贝，所以指针对于它们都是有效的。但是，pid 不同。子进程获得 0，父进程获得子进程的进程 ID，这个变量的值决定执行哪个 if/then/else 分支。子进程向指针写一些字节，然后退出。父进程等待子进程退出，然后读取它写的数据。
• 但是，在父进程退出之前，它必须释放共享内存。用 munmap() 和 shm_unlink() 完成这个步骤。

这个示例非常简单。真实的应用程序会使用信号量或其他技术控制对共享内存段的读写。这种控制通常因应用程序而异，如果您的 UNIX 版本不是开放源码的，可以在 Berkeley Software Distribution (BSD) 和 Linux 源代码中找到许多示例。