进程间通信--内存共享

进程通信--共享内存详解

共享内存概述

　　可以说，共享内存是一种最为高效的进程间通信方式。因为进程可以直接读写内存，不需要任何数据的复制。为了在多个进程间交换信息，内核专门留出 了一块内存区。这段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。因此，进程就可以直接读写这一内存区而不需要进行数据的复制，从而大大提高 了效率。当然，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，如互斥锁和信号量等（请参考本章的共享内存实验）。其原理示意图如图1所示。

图1 共享内存原理示意图

 

使用共享内存共分四步:

 

我们用一个简短的例子来体验一下这个过程：

int *addr;      //用来保存映射的地址

int shmid;      //用来保存共享内存的ID标识符

 

shmid = shmget(IPC_PRIVATE, 4, 0);         //获得四个字节大小的共享内存，返回的共享内存ID标识符被保存到shmid中

addr = shmat(shmid, 0, 0);              //映射共享内存，获得共享内存地址

*addr = 3;             //对共享内存进行操作，将这个地址赋值为3

shmdt(addr);           //解除映射，但共享内存依然存在于系统中，没有被删除

shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);         //删除共享内存

 

上面只是一个简短示例，用来体会一下应用过程，实际编写程序时，需要对返回值进行检检查，以免出错。

共享内存应用

共享内存的实现分为两个步骤，

第一步是创建共享内存，这里用到的函数是shmget()，也就是从内存中获得一段共享内存区域，

第二步映射共享 内存，也就是把这段创建的共享内存映射到具体的进程空间中，这里使用的函数是shmat()。

到这里，就可以使用这段共享内存了，也就是可以使用不带缓冲 的I/O读写命令对其进行操作。除此之外，当然还有撤销映射的操作，其函数为shmdt()。这里就主要介绍这3个函数。

 

共享内存的函数使用介绍

现在解释一下这四个函数的用法：

1.int shmget(key_t key, int size, int shmflg);

       当key取值为IPC_PRIVATE时，建立新的共享内存，大小由size决定。

共享内存的键值，多个进程可以通过它访问同一个共享内存，其中有个特殊值IPC_PRIVATE。它用于创建当前进程的私有共享内存

       当key取值不为IPC_PRIVATE时，而且也不是已建立的共享内存IPC key，则视参数shmflg中是否有IPC_CREAT标志，来决定是否建立新的共享内存，并且以key值为新共享内存的IPC key。如果没有IPC_CREAT标志，则会返回错误。

       当key取值为已建立的共享内存IPC key时，如果参数shmflg中包含IPC_CREAT和IPC_EXCL，则返回错误。如果只包含这两个标志中的其中之一，或者两个都不包含，则视size的大小是否小于等于这个已存在的共享内存的大小，如果小于等于，则返回这个共享内存的ID标识符；否则，返回错误。

     参数shmflg也可以用来设置共享内存的存取权限，其值相当于open()函数的mode用法，执行位不用。

返回值：若成功返回共享内存的ID标识符，错误返回-1，错误原因存于errno

 

2.void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

shmid为共享内存ID标识符，由shmget 返回的。

shmaddr指定映射的地址：

如果shmaddr为0，则由内核自动分配。

如果不为0，shmflg也没有指定IPC_RND旗标，则以参数shmaddr为连接地址。

如果不为0，shmflg指定了IPC_RND旗标，则将自动将参数shmflg调整为SHMLBA的整数倍。

 

SHMLBA的定义有两种情况，如下：

#define   SHMLBA   PAGE_SIZE

#define   SHMLBA   (4 * PAGE_SIZE)

 

shmflg还可以有SHM_RDONLY，表示映射的内存只可以读。

 

附加说明：1.在经过fork()之后，映射的地址会被继承到子进程。

          2.在经过exec()之后，映射的地址连接会自动脱离。

          3.程序运行结束之后，映射的地址连接也会自动脱离。

返回值：若成功返回映射得到的地址，错误返回-1，错误原因存于errno

 

3. int shmdt(const void *shmaddr);

     shmaddr为shmat()映射后获得的地址，此函数解除shmaddr与它连接的共享内存之间的映射。

返回值：成功返回0，否则返回-1，错误原因存于errno

 

4. int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

     shmctl()提供了几种方式来控制共享内存的操作，shmid为共享内存的ID标识符，cmd为操作的命令，有如下操作：

     IPC_STAT          把共享内存的shmid_ds结构数据复制到buf（每个共享内存中，都包含有一个shmid_ds结构，里面保存了一些关于本共享内存的信息）

     IPC_SET           将参数所指的shmid_ds结构中的shm_perm.uid、shm_perm.gid和shm_perm.mode复制到共享内存的shmid_ds结构内。

     IPC_RMID          删除共享内存和其包含的数据结构

     SHM_LOCK         不让此共享内存置换到 swap    (什么是swap，这个本人也不理解，如果有高手知道，希望不吝赐教)

     SHM_UNLOCK      允许此共享内存置换到swap

     SHM_LOCK和SHM_UNLOCK为Linux特有，且唯有超级用户允许使用。

 

     shmid_ds结构定义（linux-2.6.32.2）：

struct shmid_ds {

    struct ipc_perm shm_perm; /* operation perms */

    int        shm_segsz; /* size of segment (bytes) */

__kernel_time_t shm_atime; /* last attach time */

    __kernel_time_t shm_dtime; /* last detach time */

    __kernel_time_t shm_ctime; /* last change time */

__kernel_ipc_pid_t shm_cpid; /* pid of creator */

__kernel_ipc_pid_t shm_lpid; /* pid of last operator */

    unsigned short shm_nattch; /* no. of current attaches */

    unsigned short shm_unused; /* compatibility */

    void *shm_unused2; /* ditto - used by DIPC */

    void *shm_unused3; /* unused */

};

 

shm_segsz        共享内存的大小(bytes)。

shm_atime        最后一次attach(映射)此共享内存的时间

shm_dtime        最后一次detach(解除映射)此共享内存的时间

shm_ctime        最后一次更动此共享内存的时间。

shm_cpid         建立此共享内存的进程识别码。

shm_lpid          最后一个操作此共享内存的进程识别码。

 

Demo程序

下面是一个经典范例：

#include <unistd.h>

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/shm.h>



#define KEY          1234

#define SIZE         1024



int main()

{

       int shmid;

       char *shmaddr;

       struct shmid_ds buf;

       shmid = shmget(KEY, SIZE, IPC_CREAT | 0600); /*建立共享内存*/



       if (fork() == 0)

       {

              shmaddr = (char *) shmat(shmid, 0, 0);

              strcpy(shmaddr, "Hi! I am Chiled process!/n");

              printf("Child:   write to shared memery: /" I am Chiled process!/"/n");

              shmdt(shmaddr);

              return;

       }

       else

       {

              sleep(3); /*等待子进程执行完毕*/

              shmctl(shmid, IPC_STAT, &buf); /*取得共享内存的状态*/

              printf("shm_segsz = %d bytes/n", buf.shm_segsz);

              printf("shm_cpid = %d/n", buf.shm_cpid);

              printf("shm_lpid = %d/n", buf.shm_lpid);

              shmaddr = (char*) shmat(shmid, 0, SHM_RDONLY);

              printf("Father:   %s/n", shmaddr); /*显示共享内存内容*/

              shmdt(shmaddr);

              shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); /*删除共享内存*/

       }

}

3．使用实例

　　该实例说明如何使用基本的共享内存函数。首先是创建一个共享内存区（采用的共享内存的键值为IPC_PRIVATE，是因为本实例中创建的共享内存是父子进程之间的共用部分），之后创建子进程，在父子两个进程中将共享内存分别映射到各自的进程地址空间之中。

　　父进程先等待用户输入，然后将用户输入的字符串写入到共享内存，之后往共享内存的头部写入“WROTE”字符串表示父进程已成功写入数据。子进 程一直等到共享内存的头部字符串为“WROTE”，然后将共享内存的有效数据（在父进程中用户输入的字符串）在屏幕上打印。父子两个进程在完成以上工作之 后，分别解除与共享内存的映射关系。

　　最后在子进程中删除共享内存。因为共享内存自身并不提供同步机制，所以应该额外实现不同进程之间的同步（例如：信号量）。为了简单起见，在本实例中用标志字符串来实现非常简单的父子进程之间的同步。

　　这里要介绍的一个命令是ipcs，这是用于报告进程间通信机制状态的命令。它可以查看共享内存、消息队列等各种进程间通信机制的情况，这里使用了system()函数用于调用shell命令“ipcs”。程序源代码如下所示：

　　/* shmem.c */　　

#include <sys/types.h>

　　#include <sys/ipc.h>

　　#include <sys/shm.h>

　　#include <stdio.h>

　　#include <stdlib.h>

　　#include <string.h>

　　#define BUFFER_SIZE 2048

　　int main()

　　{

　　    pid_t pid;

　　 int shmid;

　　    char *shm_addr;

　　    char flag[] = "WROTE";

　　    char *buff;

　　 /* 创建共享内存 */

　　 if ((shmid = shmget(IPC_PRIVATE, BUFFER_SIZE, 0666)) < 0)

　　 {

　　        perror("shmget");

　　 exit(1);

　　 }

　　 else

　　 {

　　        printf("Create shared-memory: %d\n",shmid);

　　 }

　　 /* 显示共享内存情况 */

　　    system("ipcs -m");

　　    pid = fork();

　　 if (pid == -1)

　　 {

　　        perror("fork");

　　 exit(1);

　　 }

　　 else if (pid == 0) /* 子进程处理 */

　　 {

　　 /*映射共享内存*/

　　 if ((shm_addr = shmat(shmid, 0, 0)) == (void*)-1)

　　 {

　　            perror("Child: shmat");

　　 exit(1);

　　 }

　　 else

　　 {

　　            printf("Child: Attach shared-memory: %p\n", shm_addr);

　　 }

　　        system("ipcs -m");

　　 /* 通过检查在共享内存的头部是否标志字符串"WROTE"来确认

　　父进程已经向共享内存写入有效数据 */

　　 while (strncmp(shm_addr, flag, strlen(flag)))

　　 {

　　            printf("Child: Wait for enable data...\n");

　　            sleep(5);

　　 }

　　 /* 获取共享内存的有效数据并显示 */

　　        strcpy(buff, shm_addr + strlen(flag));

　　        printf("Child: Shared-memory :%s\n", buff);

　　 /* 解除共享内存映射 */

　　 if ((shmdt(shm_addr)) < 0)

　　 {

　　            perror("shmdt");

　　 exit(1);

　　 }

　　 else

　　 {

　　            printf("Child: Deattach shared-memory\n");

　　 }

　　        system("ipcs -m");

　　 /* 删除共享内存 */

　　 if (shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1)

　　 {

　　            perror("Child: shmctl(IPC_RMID)\n");

　　 exit(1);

　　 }

　　 else

　　 {

　　            printf("Delete shared-memory\n");

　　 }

　　        system("ipcs -m");

　　 }

　　 else /* 父进程处理 */

　　 {

　　 /*映射共享内存*/

　　 if ((shm_addr = shmat(shmid, 0, 0)) == (void*)-1)

　　 {

　　            perror("Parent: shmat");

　　 exit(1);

　　 }

　　 else

　　 {

　　            printf("Parent: Attach shared-memory: %p\n", shm_addr);

　　 }

　　        sleep(1);

　　        printf("\nInput some string:\n");

　　        fgets(buff, BUFFER_SIZE, stdin);

　　        strncpy(shm_addr + strlen(flag), buff, strlen(buff));

　　        strncpy(shm_addr, flag, strlen(flag));

　　 /* 解除共享内存映射 */

　　 if ((shmdt(shm_addr)) < 0)

　　 {

　　            perror("Parent: shmdt");

　　 exit(1);

　　 }

　　 else

　　 {

　　            printf("Parent: Deattach shared-memory\n");

　　 }

　　        system("ipcs -m");

　　        waitpid(pid, NULL, 0);

　　        printf("Finished\n");

　　 }

　　 exit(0);

　　}

 

/*总结:

1.父子进程可以在fork之前只映射一次内存shmat

2.当然也在父子进程中分别映射，但是调用shmat后的映射地址是一样的

3.共享内存试用于任何进程之间的通信，不只是父子进程之间，需要通过其他通信方式jiang KEY send out

*/