System V IPC 之共享内存

Posted 2020-10-28 sparkdev

IPC 是进程间通信(Interprocess Communication)的缩写，通常指允许用户态进程执行系列操作的一组机制：

• 通过信号量与其他进程进行同步
• 向其他进程发送消息或者从其他进程接收消息
• 和其他进程共享一段内存区

System V IPC 最初是在一个名为 "Columbus Unix" 的开发版 Unix 变种中引入的，之后在 AT&T 的 System III 中采用。现在在大部分 Unix 系统 (包括 Linux) 中都可以找到。

IPC 资源包含信号量、消息队列和共享内存三种。IPC 的数据结构是在进程请求 IPC 资源时动态创建的。每个 IPC 资源都是持久的：除非被进程显式地释放，否则永远驻留在内存中(直到系统关闭)。IPC 资源可以由任一进程使用，包括那些不共享祖先进程所创建的资源的进程。
由于一个进程可能需要同类型的多个 IPC 资源，因此每个新资源都是使用一个 32 位的 IPC 关键字来标识的，这和系统的目录树中的文件路径名类似。每个 IPC 资源都有一个 32 位的 IPC 标识符，这与和打开文件相关的文件描述符有些类似。IPC 标识符由内核分配给 IPC 资源，在系统内部是唯一的，而 IPC 关键字可以由程序员自由地选择。
当两个或者更多的进程要通过一个 IPC 资源进行通信时，这些进程都要引用该资源的 IPC 标识符。

共享内存是进程间通信的一种最基本、最快速的机制。共享内存是两个或多个进程共享同一块内存区域，并通过该内存区域实现数据交换的进程间通信机制。通常是由一个进程开辟一块共享内存区域，然后允许多个进程对此区域进行访问。由于不需要使用中间介质，而是数据由内存直接映射到进程空间，因此共享内存是最快速的进程间通信机制。
使用共享内存有两种方法：映射 /dev/mem 设备和内存映像文件。本文主要通过 demo 演示通过映射 /dev/mem 设备实现共享内存的方法。

共享内存的最大不足之处在于，由于多个进程对同一块内存区具有访问的权限，各个进程之间的同步问题显得尤为突出。必须控制同一时刻只有一个进程对共享内存区域写入数据，否则将造成数据的混乱。同步控制的问题，笔者将在随后的文章中介绍如何通过信号量解决。

共享内存相关的数据结构

ipc_perm 结构

对于每一个进程间通信机制的对象，都有一个 ipc_perm 结构与之相对应，该结构的定义如下：

struct ipc_perm
{
    uid_t uid;
    gid_t gid;
    uid_t cuid;
    gid_t cgid;
    mode_t mode;
    ulong seq;
    key_t key;
}

该结构用于记录对象的各种相关信息，各个字段的具体含义如下：
uid：所有者的有效用户 ID。
gid：所有者的有效组 ID。
cuid：创建者的有效用户 ID。
cgid：创建者的有效组 ID。
mode：表示此对象的访问权限。
seq：对象的应用序号。
key：对象的键。

shmid_ds 结构

每个共享内存都有与之相对应的 shmid_ds 结构，其定义如下：

struct shmid_ds
{
    struct ipc_perm shm_perm;
    int shm_segsz;
    pid_t shm_cpid;
    pid_t shm_lpid;
    ulong shm_nattch;
    time_t shm_atime;
    time_t shm_dtiem;
    time_t shm_ctime;
}

此机构记录了一个共享内存的各种属性，该结构的各个字段的含义如下：
shm_perm：对应于该共享内存的 ipc_perm 结构。
shm_segsz：以字节表示的共享内存区域的大小。
shm_lpid：最近一次调用 shmop 函数的进程 ID。
shm_cpid：创建该共享内存的进程 ID。
shm_nattch：当前使用该共享内存区域的进程数。
shm_atime：最近一次附加操作的时间。
shm_dtime：最近一次分离操作的时间。
shm_ctime：最近一次改变的时间。

操作共享内存的函数

创建或打开共享内存

要使用共享内存，首先要创建一个共享内存区域，创建共享内存区域的函数声明如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

int shmget(key_t key, size_t size, int flg);

函数 shmget 除了可用于创建一个新的共享内存外，也可用于打开一个已存在的共享内存。其中，参数 key 表示所创建或打开的共享内存的键。参数 size 表示共享内存区域的大小，只在创建一个新的共享内存时生效。参数 flag 表示调用函数的操作类型，也可用于设置共享内存的访问权限。
当函数调用成功时，返回值为共享内存的引用标识符；调用失败时，返回值为 -1。

附加共享内存

当一个共享内存创建或打开后，某个进程如果要使用该共享内存，则必须将这个共享内存区域附加到它的地址空间中。附加操作的函数声明如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

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

参数 shmid 表示要附加的共享内存区域的引用标识符。参数 shmaddr 和 flag 共通决定共享内存区域要附加到的地址值。比如设置 shmaddr 为 0 时，系统将自动查找进程地址空间，将共享内存区域附加到第一块有效内存区域上，此时 flag 参数无效。
当函数调用成功时，返回值为指向共享内存区域的指针；调用失败时，返回值为 -1。

分离共享内存

当一个进程对共享内存区域的访问完成后，可以调用 shmdt 函数使共享内存区域与该进程的地址空间分离，shmdt 函数的声明如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

int shmdt(const void *shmaddr);

此函数仅用于将共享内存区域与进程的地址空间分离，并不删除共享内存本身。参数 shmaddr 为指向要分离的共享内存区域的指针(就是调用 shmat 函数的返回值)。该函数调用成功时返回 0；调用失败时返回 -1。

共享内存的控制

对共享内存区域的具体控制操作是通过函数 shmctl 来实现的，shmctl 函数的声明如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

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

参数 shmid 为共享内存的引用标识符。参数 cmd 表示调用该函数希望执行的操作。参数 buf 是指向 shmid_ds 结构体的指针。参数 cmd 的取值和对应的操作如下：
SHM_LOCK：将共享内存区域上锁。
IPC_RMID：用于删除共享内存。
IPC_SET：按参数 buf 指向的结构中的值设置该共享内存对应的 shmid_ds 结构。
IPC_STAT：用于取得该共享内存区域的 shmid_ds 结构，保存到 buf 指向的缓冲区。
SHM_UNLOCK：将上锁的共享内存区域释放。

进程间通过共享内存通信的 demo

下面我们创建两个程序 demoa 和 demob 来简单的演示进程间如何通过共享内存通信。其中 demoa 的代码如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define BUF_SIZE 1024
#define MYKEY 24

int main(void)
{
    int shmid;
    char *shmptr;
    // 创建或打开内存共享区域
    if((shmid=shmget(MYKEY,BUF_SIZE,IPC_CREAT))==-1){
        printf("shmget error!\\n");
        exit(1);
    }
    if((shmptr=shmat(shmid,0,0))==(void*)-1){
        printf("shmat error!\\n");
        exit(1);
    }
    while(1){
        // 把用户的输入存到共享内存区域中
        printf("input:");
        scanf("%s",shmptr);
    }
    exit(0);
}

demoa 程序创建或打开 key 为 24 的共享内存区域，并把用户输入的字符串存入这个共享内存区域。把上面的代码保存到文件 shm_a.c 文件中，并用下面的命令编译：

$ gcc -Wall shm_a.c -o demoa

下面是 demob 的代码：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

#define BUF_SIZE 1024
#define MYKEY 24

int main(void)
{
    int shmid;
    char *shmptr;
    // 创建或打开内存共享区域
    if((shmid=shmget(MYKEY,BUF_SIZE,IPC_CREAT))==-1){
        printf("shmget error!\\n");
        exit(1);
    }
    if((shmptr=shmat(shmid,0,0))==(void*)-1){
        fprintf(stderr,"shmat error!\\n");
        exit(1);
    }
    while(1){
        // 每隔 3 秒从共享内存中取一次数据并打印到控制台
        printf("string:%s\\n",shmptr);
        sleep(3);
    }
    exit(0);
}

demob 程序创建或打开 key 为 24 的共享内存区域，然后每隔 3 秒从共享内存中取一次数据并打印到控制台。这样通过共享内存程序 demob 就可以获取到 demoa 程序中的数据。 把上面的代码保存到文件 shm_b.c 文件中，并用下面的命令编译：

$ gcc -Wall shm_b.c -o demob

接下来分别运行 demoa 和 demob，然后尝试在 demoa 中输入一些字符串：

demob 完全不关心 demoa 在干什么，只是机械的每隔 3 秒钟去共享内存中取一次数据，取到什么就输出什么。

管理 ipc 资源的基本命令

我们在 demoa 和 demob 中并没有通过 shmctl 函数在适当的时机删除创建的共享内存区域，所以当程序 demoa 和 demob 退出后，我们创建的 key 为 24 的共享内存区域仍然驻留在系统的内存中。
Linux 系统默认自带了一些管理 ipc 资源的基本命令，比如 ipcs、ipcmk 和 ipcrm。我们可以使用 ipcs 命令查看系统中的 ipc 资源：

$ ipcs -m

红框中的共享内存就是我们的 demo 程序创建的，第一列的 key 0x18 换算成十进制就是 24。
现在我们已经不需要这个共享内存区域了，所以可以使用下面的命令把它删除掉：

$ sudo ipcrm -M 24

当然，除了删除 ipc 资源，我们还可以通过 ipcmk 命令创建 ipc 资源。关于 ipcs、ipcmk 和 kpcrm 这三个命令的具体用法请参考相关的 man page，此文不再赘述。

总结

本文简单的介绍了 IPC 相关的基本概念和共享内存编程中的一些结构与函数。并通过一个简单的 demo 演示了共享内存工作的基本原理。由于 demo 中没有采取任何同步技术，demob 的输出就显得有些杂乱无章。在接下来介绍信号量的文章中，我们会在 demo 中通过信号量来同步共享内存的访问。

参考：
《深入理解 Linux 内核》
《Linux 环境下 C 编程指南》