Linux进程间通信 共享内存+信号量+简单样例

Posted 2020-09-25

每个进程都有着自己独立的地址空间，比方程序之前申请了一块内存。当调用fork函数之后。父进程和子进程所使用的是不同的内存。

因此进程间的通信，不像线程间通信那么简单。可是共享内存编程接口能够让一个进程使用一个公共的内存区段，这样我们便能轻易的实现进程间的通信了（当然对于此内存区段的訪问还是要控制好的）。

共享内存实现进程通信的长处：

共享内存是进程通信方式中最高速的方式之中的一个，它的高速体如今，为数据共享而进行的复制很少。这里举例来说。使用消息队列时。一个进程向消息队列写入消息时。这里有一次数据的复制，从用户空间到内核空间。而还有一个进程读取消息的时候。又有一次数据的复制。从内核空间到用户空间，这无疑是耗费时间与资源的。然而共享内存的存在则无需这两次复制，进程是从它们各自的地址空间直接訪问共享的内存区段的。

缺点：

还是拿消息队列来对照，消息队列已经实现了对自身读写的保护，然而共享内存须要我们开发人员自己来实现，这无疑添加了开发的难度

以下我们还是沿袭之前的风格，先简要介绍GNU/LINUX中提供哪些关于共享内存的编程接口，再以一个简单的小样例收尾。

#include<sys/shm,h>

int   shmget(key_t  key, size_t size,int flag)

该函数用于创建一个新的共享内存区段，或者是获取一个已经存在的共享内存区段

返回一个id（描写叙述符），该id唯一表示系统中创建的这段内存

key能够是一个非0的值，也能够指定为IPC_PRIVATE,跟信号量一样。IPC_PRIVATE指明创建的是一个私有的内存区段。这种话其他进程无法找到它。通常在仅须要一个进程组

的内部进行訪问时，会使用这样的方法。

size是创建的内存区段的大小,由于内存区段是创建在内存页面上的。它的容量上限通常为4MB，视实际环境决定。

flag。该參数一般是由两部分组成，一部分是訪问权限。一部分是指令。

指定具有三种情况。一种是创建一个共享内存区段，那么设置为IPC_CREAT就可以，假设该内存区段以存在时我们须要返回一个错误的话，那么传入IPC_CREAT|IPC_EXCL,在已经存在的情况下。会返回一个错误，而且将errno置为EEXIST.第三种是获取已经存在的内存区段，那么传入0就可以。关于权限，普通情况下我们设置0666或者0600就可以了，它的详细值和意义例如以下所看到的：

0400   用户拥有读取权限

0200   用户拥有写入权限

0040   用户组拥有读取权限

0020   用户组拥有写入权限

0004   其它用户拥有读取权限

0002   其它用户拥有写入权限

int shmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds* buf)

操作成功返回0。否则返回错误值

shmid，要操作的共享内存区段的描写叙述符

cmd，要进行操作的指令

shmid_ds 用于获取共享内存数据结构体，该结构体里存储关于该段内存的全部信息。这里不细说了。大家能够百度了解一下。

该函数一般是用于完毕三个功能。一是cmd为IPC_STAT，读取当前的共享内存数据结构体，二是cmd为IPC_SET，用于写入共享内存结构体。三是传入IPC_RMID，用于移除该段内存

void* shmat（int shmid，const void* shmaddr,int flag）

返回值是共享内存地址映射在该进程内存地址的起始地址。为-1时，挂接失败。

shmid,共享内存的描写叙述符

shmaddr,指定共享内存地址映射在进程内存地址的什么位置，置为NULL时。让内核自己决定。

flag，假设为SHM_READONLY,那么在调用进程中将以仅仅读方式挂接内存区段。传入0时（不指定时）将以可读写方式挂接。

int shmdt（void* shmaddr）

该函数作用是脱离内存区段，取消从共享内存区段想进程的局部空间的映射，从而也释放了为了挂接区段而占用的局部空间地址。成功返回0，失败返回-1.

shmaddr。是调用shmat时返回的进程空间地址（也就是共享内存地址映射在进程空间的地址）

共享内存的基本操作介绍完了。在文章开头提到过，共享内存须要我们进行读写控制，这里我採用信号量。（假设对于信号量不清楚的，能够去看我之前写的一篇文章用信号量和Posix线程操作来实现双线程快速下载）以下提供一个小样例：

1  父进程负责将数据写入到共享内存中，假设共享内存数据量满了则等待

2  子进程负责从共享内存中将数据读出来，假设没有数据，则等待

有点任务队列驱动的进程池的意思，以下是源码：

#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <wait.h>
#define MAX_SIZE 100
#define SHM_KEY_T 9494
#define SEM_KEY_T 8989

struct SHM_BLOCK{
    int semid;
    int dataCount;
    int beginPos;
    int curPos;
    char data[MAX_SIZE];
};

void childProcess();
void parentProcess();

SHM_BLOCK* block; //以下要用到的指向共享内存的指针
struct sembuf buf; //操作信号量的结构体
int  pid;//用于存储子进程的pid
int shmid;//共享内存的id
int main()
{
    shmid=shmget(SHM_KEY_T,sizeof(SHM_BLOCK),0600|IPC_CREAT);
    block=(SHM_BLOCK*)shmat(shmid,(const void*)0,0);
    block->semid=semget(SEM_KEY_T,1,0600|IPC_CREAT);
    block->dataCount=0;
    block->beginPos=0;
    block->curPos=0;
    semctl(block->semid,0,SETVAL,1); //初始化信号量。赋值为1
    pid=fork();
    if(pid==0)
        childProcess();
    else
        parentProcess();
    return 0;
}
void childProcess(){
    printf("Im child  Process pid is %d lets begin do work\n",getpid());
    getchar();
    int taskCount=0;
    char task;
    block=(SHM_BLOCK*)shmat(shmid,(const void*)0,0);
    buf.sem_flg=0;
    buf.sem_num=0;
    while(taskCount<200){
    buf.sem_op=-1;
    semop(block->semid,&buf,1);
    buf.sem_op=1;
    if(block->dataCount==0){
        semop(block->semid,&buf,1);
        continue;
    }
    block->dataCount--;
    task=block->data[block->beginPos++];
    block->beginPos%=MAX_SIZE;
    semop(block->semid,&buf,1);
    taskCount++;
    printf("Cur Task is %d   the data is %c\n",taskCount,task);
    }
    shmdt((const void*)block);
    return ;
}

void parentProcess(){
    printf("Im parent Process pid is %d lets begin add work\n",getpid());
    getchar();
    buf.sem_flg=0;
    buf.sem_num=0;
    int taskCount=0;
    while(taskCount<200){
        buf.sem_op=-1;
        semop(block->semid,&buf,1);
        buf.sem_op=1;
        if(block->dataCount>=MAX_SIZE)
        {
            semop(block->semid,&buf,1);
            continue;
        }
        block->dataCount++;
        block->data[block->curPos++]=‘a‘+taskCount%26;
        block->curPos%=MAX_SIZE;
        semop(block->semid,&buf,1);
        taskCount++;
    }
    //回收进程资源
    waitpid(pid,NULL,0);
    //释放调信号量和共享内存
    semctl(block->semid,0,IPC_RMID);
    shmdt((const void*)block);
    shmctl(shmid,IPC_RMID,0);
    return ;
}

执行截图就不贴了。父进程加入200个任务到任务队列中。子进程不断从任务队列中获取任务打印它的值。注意父进程要记得回收子进程资源，否则这里子进程可能成为僵尸进程。最后，释放掉共享内存和信号量，它们是不会随着进程退出就自己主动释放掉的，而是作为内核资源一直存在，须要我们手动释放。

若有错误欢迎指出。