Linux进程间通信--共享内存

Posted 2020-12-08 MrLayflolk

本系列文章主要是学习记录Linux下进程间通信的方式。

常用的进程间通信方式：管道、FIFO、消息队列、信号量以及共享存储。

参考文档：《UNIX环境高级编程（第三版）》

参考视频：Linux进程通信  推荐看看，老师讲得很不错

Linux核心版本：2.6.32-431.el6.x86_64

注：本文档只是简单介绍IPC，更详细的内容请查看参考文档和相应视频。

本文介绍利用共享内存进行进程间的通信

1  介绍

• 共享存储允许两个或多个进程共享一个指定的存储区。当有进程正在往共享存储中写入数据时，其它进程不能从共享存储中取数据。通常使用信号量来同步共享存储的访问。
• 多个进程都可把该共享内存映射到自己的虚拟内存空间。所有用户空间的进程若要操作共享内存，都要将其映射到自己虚拟内存空间中，通过映射的虚拟内存空间地址去操作共享内存，从而达到进程间的数据通信。
• 共享内存是进程间共享数据的一种最快的方法。一个进程先共享内存区写入了数据，共享这个内存区域的所有进程就可以立即看到其中的内容。
• 本身不提供同步机制，可通过信号量进行同步。
• 提升数据处理效率，一种效率最高的IPC机制。

2  共享内存属性

 1 struct shmid_ds {
 2     struct ipc_perm shm_perm;    /* Ownership and permissions */
 3     size_t          shm_segsz;   /* Size of segment (bytes) */
 4     time_t          shm_atime;   /* Last attach time */
 5     time_t          shm_dtime;   /* Last detach time */
 6     time_t          shm_ctime;   /* Last change time */
 7     pid_t           shm_cpid;    /* PID of creator */
 8     pid_t           shm_lpid;    /* PID of last shmat(2)/shmdt(2) */
 9     shmatt_t        shm_nattch;  /* No. of current attaches */
10     ...
11 };

3  使用步骤

1. 使用shmget函数创建共享内存；
2. 使用shmat函数创建共享内存，将这段创建的共享内存映射到具体的进程虚拟内存空间中。

4  函数原型

1 #include <sys/ipc.h>
2 #include <sys/shm.h>
3 int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
4 说明：创建共享内存
5 返回：成功返回内存中共享内存的的标识ID；失败返回-1；
6 参数key：用户指定的共享内存键值；
7 参数size：共享内存大小；
8 参数shmflg：IPC_CREAT、IPC_EXCL等权限组合。

1 #include <sys/ipc.h>
2 #include <sys/shm.h>
3 int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
4 说明：共享内存控制
5 参数shmid：共享内存ID；
6 参数buf：共享内存属性指针；
7 参数cmd：IPC_STAT：获取共享内存段属性；IPC_SET：设置共享内存段属性；
          IPC_RMID：删除共享内存段；SHM_LOCK：锁定共享内存段页面（页面映射到屋里内存不和外存进行换入换出操作）；
          SHM_UNLOCK：解除共享内存段页面的锁定。

 1 #include <sys/types.h>
 2 #include <sys/shm.h>
 3 void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
 4 说明：共享内存映射
 5 返回：成功返回共享内存映射到进程虚拟内存空间中的地址；失败返回-1；
 6 int shmdt(const void *shmaddr);
 7 说明：共享内存解除映射；
 8 返回：如果失败，则返回-1；
 9 参数shmid：共享内存ID；
10 参数shmaddr：映射到进程虚拟内存空间的地址，建议设置为0，由操作系统分配；
11 参数shmflg：若shmaddr设置为0，则shmflg也设置为0。SHM_RND：随机；SHMLBA：地址为2的乘方；SHM_RDONLY：只读方式链接。
12 注：子进程不继承父进程创建的共享内存，大家是共享的，子进程继承父进程映射的地址。

5  实现案例

（1）案例一：同步使用共享内存

父进程向共享内存中写入数据，子进程等待父进程写入数据并从中读取数据。对共享进程的同步使用管道实现。

管道的头文件：

 1 #ifndef __TELL_H__
 2 #define __TELL_H__
 3 
 4 //管道初始化
 5 extern void init(void);
 6 
 7 //利用管道进行等待
 8 extern void wait_pipe(void);
 9 
10 //利用管道进行通知
11 extern void notify_pipe(void);
12 
13 //销毁管道
14 extern void destroy_pipe(void);
15 
16 #endif

View Code

管道的C文件：

 1 #include <stdio.h>
 2 #include <stdlib.h>
 3 #include <string.h>
 4 #include "tell.h"
 5 
 6 static int fd[2];
 7 
 8 //管道初始化
 9 void init(void)
10 {
11     if (pipe(fd) < 0) {
12         perror("pipe error");
13     }
14 }
15 
16 //利用管道进行等待
17 void wait_pipe(void)
18 {
19     char c;
20     //管道读写默认是阻塞性的
21     if (read(fd[0], &c, 1) < 0) {
22         perror("wait pipe error");
23     }
24 }
25 
26 //利用管道进行通知
27 void notify_pipe(void)
28 {
29     char c = \'c\';
30     if (write(fd[1], &c, 1) != 1) {
31         perror("notify pipe error");
32     }
33 }
34 
35 //销毁管道
36 void destroy_pipe(void)
37 {
38     close(fd[0]);
39     close(fd[1]);    
40 }

View Code

父子进程对共享进程的访问：

 1 #include <sys/types.h>
 2 #include <sys/shm.h>
 3 #include <stdio.h>
 4 #include <stdlib.h>
 5 
 6 int main(void)
 7 {
 8     int shmid; 
 9     if ((shmid = shmget(IPC_PRIVATE, 1024, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0777)) < 0) {
10         perror("shmget error");
11         exit(1);
12     }
13     pid_t pid;
14     init();  //初始化管道
15     if ((pid = fork()) < 0) {
16         perror("fork error");
17         exit(1);
18     } else if (pid > 0) {  //父进程
19         int *pi = (int *)shmat(shmid, 0, 0);
20         if (pi == (int *)-1) {
21             perror("shmat error");
22             exit(1);
23         }
24         //往共享内存中写入数据（通过操作映射的地址即可）
25         *pi = 100;
26         *(pi + 1) = 20;
27         //操作完毕，解除共享内存的映射
28         shmdt(pi);
29         //通知子进程读取数据
30         notify_pipe();
31         //销毁管道
32         destroy_pipe();
33         //等待子进程结束
34         wait(0);
35     } else {  //子进程
36         //子进程阻塞，等待父进程先往内存中写入数据
37         wait_pipe();
38         //子进程从共享内存中读取数据
39         //子进程进行共享内存的映射
40         int *pi = (int *)shmat(shmid, 0, 0);
41         if (pi == (int *)-1) {
42             perror("shmat error");
43             exit(1);
44         }
45         printf("start: %d, end: %d\\n", *pi, *(pi+1));
46         //读取完毕后解除映射
47         shmdt(pi);
48         //删除共享内存
49         shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
50         //销毁管道
51         destroy_pipe();
52     }
53 
54     return 0;
55 }

View Code

测试步骤：

1、编译：[root@192 ipc]# gcc -o bin/cal_shm -Iinclude tell.c cal_shm.c 

2、运行：