text 共享内存+互斥量实现Linux的进程间通信

Posted 2021-04-29

共享内存+互斥量实现linux进程间通信

一、	共享内存简介
共享内存是进程间通信中高效方便的方式之一。共享内存允许两个或更多进程访问同一块内存，就如同 malloc() 函数向不同进程返回了指向同一个物理内存区域的指针，两个进程可以对一块共享内存进行读写。
共享内存并未提供进程同步机制，使用共享内存完成进程间通信时，需要借助互斥量或者信号量来完成进程的同步。这里说一下互斥量与信号量的区别。互斥量用于线程的互斥，信号量用于线程的同步，这是互斥量与信号量的本质区别，其次信号量实现互斥量的功能。
本文结合个人实际项目需求，采用互斥量实现进程间访问共享内存的互斥，即同一时刻只能允许一个进程对共享内存进行写操作。

二、	使用系统调用完成共享内存的申请、连接、分离和删除
    共享内存函数由shmget、shmat、shmdt、shmctl四个函数组成。使用时需要包含#include <sys/ipc.h>、#include <sys/shm.h>、#include <sys/types.h>和。
1.共享内存的申请
使用shmget()完成共享内存的申请，函数原型如下：
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
key：共享内存的标识符，大于0的32位整数。若是父子关系的进程间通信，这个标识符用IPC_PRIVATE，若进程没有关系，可自行定义。
size：共享内存大小，单位Byte。
shmflg：共享内存的模式(mode)，包括三部分，第一部分是：无指定标示符的共享内存是否创建，由
0（只获取）或IPC_CREAT（未创建则新建）决定。第二部分：IPC_EXCL（若已创建，则报错）。第三部分：权限标识，由八进制表示，如0640，第一个0是八进制数标识，第一个6（4+2）表示拥有者的权限读和写，第二个4表示同组权限写，第3个0表示他人的权限。这三部分由算数或运算符|拼接组成shmflg，如IPC_CREAT|0640。
    成功时返回共享内存的ID，失败时返回-1。
2.共享内存的连接
使用shmat()函数将已经申请好的共享连接到当前进程的地址空间，函数原型如下：
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg); 
shmid：共享内存标识符。
shmaddr:指定进程使用共享内存的起始地址，直接指定为NULL让内核自己决定一个合适的地址位置。
shmflg:SHM_RDONLY为只读模式，其他为读写模式，通常设置为NULL。
成功时，这个函数返回共享内存的起始地址。失败时返回-1。
3.共享内存的分离
使用sdmdt()函数将已连接的共享内存与进程分离，功能与shmat()相反，函数原型如下：int shmdt(const void *shmaddr);  
shmaddr:连接的共享内存的起始地址。成功时返回0。失败时返回-1。
4.共享内存的删除
shmctl() 控制对这块共享内存的使用，包括删除。函数原型如下：
int shmctl(int shmid, int command, struct shmid_ds *buf);  
shmid：共享内存的ID。
command：是控制命令，IPC_STAT（获取共享内存的状态）、IPC_SET（改变共享内存的状态）IPC_RMID（删除共享内存）。
buf：一个结构体指针。Command设置为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，由这个结构体指定。
返回值：成功：0，失败：-1。

三、	使用互斥量完成父子进程对共享内存的互斥访问
在共享内存中申明互斥量pthread_mutex_t mutex，需要包含<pthread.h>头文件。使用时的步骤
是：
第一步：初始化互斥量，使用pthread_mutex_init()函数，函数原型如下：
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,const pthread_mutexattr_t *restrict attr);
使用方法pthread_mutex_init(&mutex,NULL)。函数成功返回0，失败返回非0。
第二步：对互斥量进程上锁，使用pthread_mutex_lock()函数，函数原型如下：
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
函数成功返回0，错误返回非0的错误代码。
第三步：pthread_mutex_unlock()对已经上锁的mutex进行解锁，pthread_mutex_lock()成对出现，函数原型如下：
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)。
函数成功返回0，错误返回非0的错误代码。
第四步：如果最后不需要使用互斥量的话，使用pthread_mutex_destroy()销毁。函数原型如下：
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
函数成功返回0，错误返回非0的错误代号。

四、	示例源码
鄙人以实际项目开发过程中实现进程间通信的源码，为大家展示如何利用上面总结的系统调用接口
来实现进程间的通信。
1.	定义存储成员变量的类，共享内存将用于存放该类的成员数据。
class ALGOriginalTask
{
public:
    uint8 algorithm;   //算法，在global.h中定义
uint8 encodeType;  //编码类型0：UTF8，1：UCS2
    uint32 cipher_num;      //密文数目
    uint32 cipher_len;   //密文长度
    char cipher[128][256];  //密文最多128个
    uint8 salt_len;  //盐的长度
    char salt[128][32];//最多128个，最长32字节
    char re[32][256];
uint8 plainfile_num;
pthread_mutex_t mutex;//读写共享内存互斥量
};
class ALGResult
{
public:
    bool init();
    ALGResult() {};
    ~ALGResult() {};
     struct timeval ts;
	struct timeval te;
	uint8  success_num;
	uint8 algorithm;
	uint8 cipher_len;
	char cipher[128][256]; 
	char salt[128][32];
	char ret_plain[MAX_CIPHER_NUM][MAX_PLAIN_LEN];    
};
2.	使用fork()在父进程中产生子进程，通过系统调用execve()调用另外可执行程序ALG.out,将
ALGOriginalTask中的数据写入共享内存后，再在ALG.out中通过接收到的shmid获取共享内存进行读取。最后在ALG.out中将ALGResult中的数据写入共享内存，再由父进程读取结果。
父进程代码：
int main(int argc, char **argv)
{
pid_t pid;//子进程ID
    int shmid;//共享内存ID
    ALGOriginalTask* ALG_shm_addr=NULL;
	ALGResult* ALG_Result_shm_addr=NULL;
	void* shm_addr=NULL;//共享内存首地址
    //char buff[sizeof(ALGOriginalTask)];
    if ((shmid=shmget(IPC_PRIVATE,sizeof(ALGOriginalTask)+sizeof(ALGResult),IPC_CREAT|0640))<0)//创建当前进程的父子进程私有共享内存
	{
      perror("shmget");
      exit(-1);
    } else
	{//create successfully
      printf("Create shared memory: %d.\n",shmid);
      printf("Created shared memory status:\n");
      system("ipcs -m");
	}
	printf("start fork\n");
    switch(pid=fork())
	{
	  case -1:
	    perror("fork");
		exit(-1);
	  case 0://child
	  {
	    //构造ALG.out参数
		string shmId=itoa(shmid);
		string plain_path=ALG_task->plainfile_path;
		string plain_offset=itoa(ALG_task->plain_offset);
		string plain_num=itoa(ALG_task->plain_num);
		string plain_len=itoa(ALG_task->plain_len);
		cout<<"start execute ALG.out"<<endl;
		const char* argv[10]={"./ALG.out",shmId.c_str(),plain_path.c_str(),plain_offset.c_str(),plain_num.c_str(),plain_len.c_str()};
		execlp(argv[0], argv[0], argv[1], argv[2], argv[3],
               argv[4], argv[5], NULL);
	    exit(0);
	  }
	  default://parent
	  {
	    if((shm_addr=shmat(shmid,0,0))==(void*)-1){
           perror("Parent:shmat");//打印函数执行错误原因,Parent:shmat:错误原因
           exit(-1);
         }else
		 {
		     //初始化共享内存
			 memset(shm_addr,NULL,sizeof(ALGOriginalTask)+sizeof(ALGResult));
             printf("Parent: Attach shared-memory: %p\n",shm_addr);
             printf("Parent Attach shared memory status:\n");
             system("ipcs -m");
		 }
		//设置共享内存格式
		ALG_shm_addr=static_cast<ALGOriginalTask*>(shm_addr);
		//向共享内存写入参数
		pthread_mutex_init(&ALG_shm_addr->mutex,NULL); 
		pthread_mutex_lock(&ALG_shm_addr->mutex);
		//初始化originalTask		cout<<"writeALG_original_task->algorithm:"<<(int)ALG_original_task->algorithm<<endl;
		ALG_shm_addr->algorithm=ALG_original_task->algorithm;
		ALG_shm_addr->encodeType=ALG_original_task->encodeType;
		ALG_shm_addr->cipher_num=ALG_original_task->cipher_num;
		ALG_shm_addr->cipher_len=ALG_original_task->cipher_len;
		ALG_shm_addr->salt_len=ALG_original_task->salt_len;
		//memcpy(ALG_shm_addr->task_name,ALG_original_task->task_name,20);
        memcpy(ALG_shm_addr->cipher,ALG_original_task->cipher,128*256);
		memcpy(ALG_shm_addr->salt,ALG_original_task->salt,128*32);
	    memcpy(ALG_shm_addr->re,ALG_original_task->re,32*256);
		pthread_mutex_unlock(&ALG_shm_addr->mutex);
		
		waitpid(pid,NULL,0);//等待子进程计算结束，从共享内存读取返回结果
		ALG_Result_shm_addr=static_cast<ALGResult*>(shm_addr);//设置共享内存格式
		//读取共享内存数据，即计算结果
		memcpy(&ALG_Result->ts,&ALG_Result_shm_addr->ts,sizeof(struct timeval));
		memcpy(&ALG_Result->te,&ALG_Result_shm_addr->te,sizeof(struct timeval));
		ALG_Result->success_num=ALG_Result_shm_addr->success_num;
		memcpy(ALG_Result->ret_plain,ALG_Result_shm_addr->ret_plain,128*64);
		
		//删除父进程的共享内存映射地址
        if (shmdt(shm_addr)<0) {
            perror("Parent:shmdt");
            exit(1);
        }else
            printf("Parent: Deattach shared-memory.\n");
		//删除共享内存
        if (shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL)==-1){
          perror("shmct:IPC_RMID");
          exit(-1);
        }else
          printf("Delete shared-memory.\n");
	  }
	}//end fork
	
	ALG_Result->algorithm=ALG_original_task->algorithm;
	memcpy(ALG_Result->cipher,ALG_original_task->cipher,128*256);
    memcpy(ALG_Result->salt,ALG_original_task->salt,128*32);
	cout<<"computation end"<<endl;//succeed
    return ALG_Result;
}
ALG.out代码：
int main(int argc, char **argv)
{
   gettimeofday(&tt1,NULL);
   ALGOriginalTask* ALG_shm_addr=NULL;
   ALGResult* ALG_Result_shm_addr=NULL;
   GPR_Info* gpr_Info=new GPR_Info;
   RST_Info* rst_Info=new RST_Info;
   memset(gpr_Info,NULL,sizeof(GPR_Info));
   memset(rst_Info,NULL,sizeof(RST_Info));
   void* shm_addr=NULL;//共享内存首地址
   int shmid=atoi(argv[1]);
   if((shm_addr=shmat(shmid,0,0))==(void*)-1)
   {
      perror("Child_ALG.out:shmat");
      exit(-1);
   }
   //设置共享内存格式
   ALG_shm_addr=static_cast<ALGOriginalTask*>(shm_addr);
   //waiting for the parent write data to share memory
   cout<<"wait parent write sharememory:"<<endl;
   while(1)
   {
     if((int)ALG_shm_addr->algorithm>=0)
	   break;
   }
   cout<<"start read gpr_Info from sharememory:"<<endl;
   //get info of GPR
   pthread_mutex_lock(&ALG_shm_addr->mutex);//lock waiting for parent process finish the writing of share memory
   gpr_Info->algorithm=ALG_shm_addr->algorithm;
   gpr_Info->encodeType=ALG_shm_addr->encodeType;
   gpr_Info->cipher_num=ALG_shm_addr->cipher_num;
   gpr_Info->cipher_len=ALG_shm_addr->cipher_len;
   gpr_Info->plain_len=atoi(argv[5]);
   gpr_Info->salt_len=ALG_shm_addr->salt_len;
   memcpy(gpr_Info->salt,ALG_shm_addr->salt,128*32);
   memcpy(gpr_Info->cipher,ALG_shm_addr->cipher,128*256);
   pthread_mutex_unlock(&ALG_shm_addr->mutex);//unlock the mutex
   //获取计算结果
   get_ret_palin(ret_plain, gpr_Info);
//write result to share memory
memset(shm_addr,NULL,sizeof(ALGOriginalTask)+sizeof(ALGResult));
	ALG_Result_shm_addr=static_cast<ALGResult*>(shm_addr);
	ALG_Result_shm_addr->ts=tt1;
	ALG_Result_shm_addr->te=tt2;
    ALG_Result_shm_addr->algorithm=gpr_Info->algorithm; 
	ALG_Result_shm_addr->cipher_len=gpr_Info->cipher_len;
	ALG_Result_shm_addr->success_num=rst_Info->success_num;
	memcpy(ALG_Result_shm_addr->salt,gpr_Info->salt,128*32);
	memcpy(ALG_Result_shm_addr->cipher,gpr_Info->cipher,128*256);
    memcpy(ALG_Result_shm_addr->ret_plain,ret_plain,128*64); 
	
    //删除子进程的共享内存映射地址
    if (shmdt(shm_addr)<0)
{
      perror("ALG.out:shmdt");
      exit(1);
    }else
        printf("ALG.out:Detach shared-memory.\n");		
	delete []charset;
	delete []ret_plain;
	return 1;
}