进程间通信---共享内存

一、IPC（Inter-Process Communication，进程间通信）对象的介绍

System V 的IPC对象有共享内存、消息队列、信号灯。

注意:在IPC的通信模式下，不管是使用消息队列还是共享内存，甚至是信号灯， 每个IPC的对象都有唯一的名字,称为"键"(key)。通过"键"，进程能够识别所用的对象。"键"与IPC对象的关系就如同文件名称于文件，通过文件 名，进程能够读写文件内的数据，甚至多个进程能够公用一个文件。而在 IPC的通讯模式下，通过"键"的使用也使得一个IPC对象能为多个进程所共用。

二、共享内存的介绍

<1>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。

<2>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地址空间。进程就可以直接读写这一块内存而不需要进行数据的拷贝，从而大大提高效率。

<3>由于多个进程共享一段内存，因此也需要依靠某种同步机制。

三、共享内存的特点

四、共享内存的操作流程

<1>创建/打开共享内存

<2>映射共享内存，即把指定的共享内存映射到进程的地址空间用于访问

<3>撤销共享内存映射

<4>删除共享内存对象

五、相关API 

A.获取一块共享内存

功能：分配一块共享内存

返回值:

调用成功返回一个shmid（类似打开一个或创建一个文件获得的文件描述符一样）;

调用失败返回-1。

参数说明:

<1>key标识共享内存的键值(就像文件的标识是文件名):0  / IPC_PRIVATE。

当key的取值为IPC_PRIVATE,则函数shmget()将创建一块新的共享内存；

如果key的取值为0，而参数shmflg中设置了IPC_CREATE这个标志，则同样创建一块新的共享内存。

通过这种方式分配的共享内存，一般用来亲缘关系的进程间通信。

注意：我们一般是通过ftok这个函数获取键值

功能 : 获取一个IPC对象的键值

参数说明:

pthname就是你指定文件名的路径(该文件必须是存在而且可以访问的),一般情况我们都写一个目录

proj_id  ： 和pthname一起完成创建键值的参数，虽然为int,但是只有8个比特被使用。一般我们写一个字符代替。

例如:

案例:


运行的结果:

<2>size是要建立共享内存的长度。所有的内存分配操作都是以页为单位的。所以如果一个进程只申请一块只有一个字节的内存，内存也会分配整整一页(在i386机器中一页的缺省大小PACE_SIZE = 4096字节)。

<3>shmflg有效的标志包括IPC_CREAT 和IPC_EXCL,他们的功能与open()的O_CREAT和O_EXCL相当。

IPC_CREAT      如果共享内存不存在，则创建一个共享内存，否则直接打开已存在的

IPC_EXCL        只有在共享内存不存在的时候，新的共享内存才建立，否则就产生错误

例子一:假设键值为key,创建一个共享内存大小为4k,访问权限为066,如果已经存在则返回其标识号 

int shmid;

if( (shmid = shmget(key,4 * 1024,0666 | IPC_CREAT)) < 0)

{

    perror("Fail to shmget");

    exit(EXIT_FAILURE)

}

例子二、假设键值为key,创建一个共享内存大小为1k，访问权限为0666，如果已经存在则报错

int shmid;

if((shmid  = shmget(key,1024,0666 | IPC_CREAT | IPC_EXCL)) < 0)

{

    perror("Fail to shmget");

    exit(EXIT_FAILURE);

}

B.共享内存的映射

函数shmat将标识号为shmid共享内存映射到调用进程的地址空间中。

参数说明:

shmid  :  要映射的共享内存区标识符

shmaddr  :  将共享内存映射到指定地址(若为NULL,则表示由系统自动完成映射)

shmflg  :  SHM_RDONLY  共享内存只读

                默认0:共享内存可读写。

返回值 :调用成功放回映射后的地址 ,出错放回(void *)-1；

C.取消共享内存与用户进程之间的映射

参数shmaddr是shmat映射成功放回的地址。

注意：当一个进程不再需要共享内存段时，它将调用shmdt()系统调用取消这个段，但是，这并不是从内核真正地删除这个段，而是把相关shmid_ds结构的shm_nattch域的值减1，当这个值为0时，内核才从物理上删除这个共享段。

D.控制共享内存

参数说明:

shmid  共享内存标识ID

cmd      IPC_STAT得到共享内存的状态

              IPC_SET改变共享内存的状态

              IPC_RMID删除共享内存

buf  是一个结构体指针。IPC_STAT的时候，取得的状态放在这个结构体中。如果要改变共享内存的状态，用这个结构体指定；

注意：

1.IPC_RMID命令实际上不从内核删除一个段，而是仅仅把这个段标记为删除，实际的删除发生最后一个进程离开这个共享段时。

2.当cmd为IPC_RMID时，第三个参数应为NULL。呵呵，大部分我们都是这样做,用这个函数删除共享内存。

案例探究:

#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <semaphore.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>


#define BUFF_SIZE 1024

int father_do_work(int shmid)
{
    char *buf;
    void *shmaddr;
    sem_t *prsem;
    sem_t *pwsem;

    //有名信号量
    if((prsem = sem_open("rsem",O_CREAT,0666,0)) == SEM_FAILED)
    {
        perror("Fail to sem open");
        return -1;
    }

        //有名信号量
    if((pwsem = sem_open("wsem",O_CREAT,0666,1)) == SEM_FAILED)
    {
        perror("Fail to sem open");
        return -1;
    }

    //映射共享内存
    if((shmaddr = shmat(shmid,NULL,0)) == (void *)-1)
    {
        perror("Fail to shmat");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    buf = (char *)shmaddr;

    while(1)
    {
        if(sem_wait(pwsem) < 0)
        {
            perror("Fail to sem wait");
            break;
        }

        printf(">");
        fgets(buf,BUFF_SIZE,stdin);
        buf[strlen(buf) - 1] = '\0';

        if(sem_post(prsem) < 0)
        {
            perror("Fail to sem post");
            break;
        }

        if(strncmp(buf,"quit",4) == 0)
        {
            if(shmdt(shmaddr) < 0)
            {
                perror("Fail to shmaddr");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }

            break;
        }

        usleep(500);
    }

    return 0;
}

int child_do_work(int shmid)
{
    char *buf;
    void *shmaddr;
    sem_t *prsem;
    sem_t *pwsem;

    //
    if((prsem = sem_open("rsem",O_CREAT,0666,0)) == SEM_FAILED)
    {
        perror("Fail to sem open");
        return -1;
    }

    if((pwsem = sem_open("wsem",O_CREAT,0666,1)) == SEM_FAILED)
    {
        perror("Fail to sem open");
        return -1;
    }

    //映射共享内存
    if((shmaddr = shmat(shmid,NULL,0)) == (void *)-1)
    {
        perror("Fail to shmat");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    buf = (char *)shmaddr;

    while(1)
    {
        if(sem_wait(prsem) < 0)
        {
            perror("Fail to prsem");
            break;
        }

        printf("read buf : %s.\n",buf);

        if(sem_post(pwsem) < 0)
        {
            perror("Fail to pwsem");
            break;
        }

        if(strncmp(buf,"quit",4) == 0)
        {
            if(shmdt(shmaddr) < 0)
            {
                perror("Fail to shmaddr");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }

            break;
        }
    }

    return 0;
}

int main()
{
    int shmid;
    int pid;
    void *shmaddr;

    //创建共享内存
    if((shmid = shmget(IPC_PRIVATE,BUFF_SIZE,0666 | IPC_CREAT)) < 0)
    {
        perror("Fail to shmget");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }


    if((pid = fork()) < 0)
    {

        perror("Fail to fork");
        exit(EXIT_FAILURE);

    }else if(pid == 0){

        child_do_work(shmid);

    }else{

        father_do_work(shmid);
        wait(NULL);

        if(shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL) < 0)
        {
            perror("Fail to shmctl");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    }

    exit(EXIT_SUCCESS);
}

运行结果: