进程间通信---共享内存

2240阅读　0评论2020-12-08　walterpeng
分类：LINUX

一、IPC（Inter-Process Communication，进程间通信）对象的介绍

System V 的IPC对象有共享内存、消息队列、信号灯。



注意:在IPC的通信模式下，不管是使用消息队列还是共享内存，甚至是信号灯，每个IPC的对象都有唯一的名字,称为"键"(key)。通过"键"，进程能够识别所用的对象。"键"与IPC对象的关系就如同文件名称于文件，通过文件名，进程能够读写文件内的数据，甚至多个进程能够公用一个文件。而在 IPC的通讯模式下，通过"键"的使用也使得一个IPC对象能为多个进程所共用。

二、共享内存的介绍

<1>共享内存是一种最为高效的进程间通信方式，进程可以直接读写内存，而不需要任何数据的拷贝。

<2>为了在多个进程间交换信息，内核专门留出了一块内存区，可以由需要访问的进程将其映射到自己的私有地址空间。进程就可以直接读写这一块内存而不需要进行数据的拷贝，从而大大提高效率。

<3>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。

三、共享内存的特点



四、共享内存的操作流程

<1>创建/打开共享内存
<2>映射共享内存，即把指定的共享内存映射到进程的地址空间用于访问
<3>撤销共享内存映射
<4>删除共享内存对象

五、相关API 

A.获取一块共享内存



功能：分配一块共享内存

返回值:

调用成功返回一个shmid（类似打开一个或创建一个文件获得的文件描述符一样）;
调用失败返回-1。

参数说明:

<1>key标识共享内存的键值(就像文件的标识是文件名):0  / IPC_PRIVATE。

当key的取值为IPC_PRIVATE,则函数shmget()将创建一块新的共享内存；

如果key的取值为0，而参数shmflg中设置了IPC_CREATE这个标志，则同样创建一块新的共享内存。

通过这种方式分配的共享内存，一般用来亲缘关系的进程间通信。

注意：我们一般是通过ftok这个函数获取键值

功能 : 获取一个IPC对象的键值

参数说明:

pthname就是你指定文件名的路径(该文件必须是存在而且可以访问的),一般情况我们都写一个目录

proj_id  ： 和pthname一起完成创建键值的参数，虽然为int,但是只有8个比特被使用。一般我们写一个字符代替。

例如:

案例:


运行的结果:



<2>size是要建立共享内存的长度。所有的内存分配操作都是以页为单位的。所以如果一个进程只申请一块只有一个字节的内存，内存也会分配整整一页(在i386机器中一页的缺省大小PACE_SIZE = 4096字节)。

<3>shmflg有效的标志包括IPC_CREAT 和IPC_EXCL,他们的功能与open()的O_CREAT和O_EXCL相当。

IPC_CREAT      如果共享内存不存在，则创建一个共享内存，否则直接打开已存在的
IPC_EXCL        只有在共享内存不存在的时候，新的共享内存才建立，否则就产生错误



例子一:假设键值为key,创建一个共享内存大小为4k,访问权限为066,如果已经存在则返回其标识号 

int shmid;
if( (shmid = shmget(key,4 * 1024,0666 | IPC_CREAT)) < 0)
{
    perror("Fail to shmget");
    exit(EXIT_FAILURE)
}

例子二、假设键值为key,创建一个共享内存大小为1k，访问权限为0666，如果已经存在则报错

int shmid;
if((shmid  = shmget(key,1024,0666 | IPC_CREAT | IPC_EXCL)) < 0)
{
    perror("Fail to shmget");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

B.共享内存的映射



函数shmat将标识号为shmid共享内存映射到调用进程的地址空间中。

参数说明:

shmid  :  要映射的共享内存区标识符

shmaddr  :  将共享内存映射到指定地址(若为NULL,则表示由系统自动完成映射)

shmflg  :  SHM_RDONLY  共享内存只读
                默认0:共享内存可读写。

返回值 :调用成功放回映射后的地址 ,出错放回(void *)-1；

C.取消共享内存与用户进程之间的映射



参数shmaddr是shmat映射成功放回的地址。

注意：当一个进程不再需要共享内存段时，它将调用shmdt()系统调用取消这个段，但是，这并不是从内核真正地删除这个段，而是把相关shmid_ds结构的shm_nattch域的值减1，当这个值为0时，内核才从物理上删除这个共享段。

D.控制共享内存



参数说明:

shmid  共享内存标识ID

cmd      IPC_STAT得到共享内存的状态
              IPC_SET改变共享内存的状态
              IPC_RMID删除共享内存

buf  是一个结构体指针。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，用这个结构体指定；



注意：

1.IPC_RMID命令实际上不从内核删除一个段，而是仅仅把这个段标记为删除，实际的删除发生最后一个进程离开这个共享段时。

2.当cmd为IPC_RMID时，第三个参数应为NULL。呵呵，大部分我们都是这样做,用这个函数删除共享内存。


案例探究:


点击(此处)折叠或打开

  1. #include <sys/shm.h>
  2. #include <stdio.h>
  3. #include <stdlib.h>
  4. #include <string.h>
  5. #include <semaphore.h>
  6. #include <fcntl.h>
  7. #include <sys/stat.h>


  10. #define BUFF_SIZE 1024

  12. int father_do_work(int shmid)
  13. {
  14.     char *buf;
  15.     void *shmaddr;
  16.     sem_t *prsem;
  17.     sem_t *pwsem;

  19.     //有名信号量
  20.     if((prsem = sem_open("rsem",O_CREAT,0666,0)) == SEM_FAILED)
  21.     {
  22.         perror("Fail to sem open");
  23.         return -1;
  24.     }
  25.         
  26.         //有名信号量
  27.     if((pwsem = sem_open("wsem",O_CREAT,0666,1)) == SEM_FAILED)
  28.     {
  29.         perror("Fail to sem open");
  30.         return -1;
  31.     }

  33.     //映射共享内存
  34.     if((shmaddr = shmat(shmid,NULL,0)) == (void *)-1)
  35.     {
  36.         perror("Fail to shmat");
  37.         exit(EXIT_FAILURE);
  38.     }

  40.     buf = (char *)shmaddr;

  42.     while(1)
  43.     {
  44.         if(sem_wait(pwsem) < 0)
  45.         {
  46.             perror("Fail to sem wait");
  47.             break;
  48.         }

  50.         printf(">");
  51.         fgets(buf,BUFF_SIZE,stdin);
  52.         buf[strlen(buf) - 1] = '\0';
  53.         
  54.         if(sem_post(prsem) < 0)
  55.         {
  56.             perror("Fail to sem post");
  57.             break;
  58.         }
  59.         
  60.         if(strncmp(buf,"quit",4) == 0)
  61.         {
  62.             if(shmdt(shmaddr) < 0)
  63.             {
  64.                 perror("Fail to shmaddr");
  65.                 exit(EXIT_FAILURE);
  66.             }

  68.             break;
  69.         }
  70.     
  71.         usleep(500);
  72.     }
  73.     
  74.     return 0;
  75. }

  77. int child_do_work(int shmid)
  78. {
  79.     char *buf;
  80.     void *shmaddr;
  81.     sem_t *prsem;
  82.     sem_t *pwsem;

  84.     //
  85.     if((prsem = sem_open("rsem",O_CREAT,0666,0)) == SEM_FAILED)
  86.     {
  87.         perror("Fail to sem open");
  88.         return -1;
  89.     }

  91.     if((pwsem = sem_open("wsem",O_CREAT,0666,1)) == SEM_FAILED)
  92.     {
  93.         perror("Fail to sem open");
  94.         return -1;
  95.     }

  97.     //映射共享内存
  98.     if((shmaddr = shmat(shmid,NULL,0)) == (void *)-1)
  99.     {
  100.         perror("Fail to shmat");
  101.         exit(EXIT_FAILURE);
  102.     }

  104.     buf = (char *)shmaddr;

  106.     while(1)
  107.     {
  108.         if(sem_wait(prsem) < 0)
  109.         {
  110.             perror("Fail to prsem");
  111.             break;
  112.         }

  114.         printf("read buf : %s.\n",buf);

  116.         if(sem_post(pwsem) < 0)
  117.         {
  118.             perror("Fail to pwsem");
  119.             break;
  120.         }

  122.         if(strncmp(buf,"quit",4) == 0)
  123.         {
  124.             if(shmdt(shmaddr) < 0)
  125.             {
  126.                 perror("Fail to shmaddr");
  127.                 exit(EXIT_FAILURE);
  128.             }

  130.             break;
  131.         }
  132.     }
  133.     
  134.     return 0;
  135. }

  137. int main()
  138. {
  139.     int shmid;
  140.     int pid;
  141.     void *shmaddr;
  142.     
  143.     //创建共享内存
  144.     if((shmid = shmget(IPC_PRIVATE,BUFF_SIZE,0666 | IPC_CREAT)) < 0)
  145.     {
  146.         perror("Fail to shmget");
  147.         exit(EXIT_FAILURE);
  148.     }


  151.     if((pid = fork()) < 0)
  152.     {

  154.         perror("Fail to fork");
  155.         exit(EXIT_FAILURE);
  156.     
  157.     }else if(pid == 0){
  158.     
  159.         child_do_work(shmid);
  160.     
  161.     }else{
  162.         
  163.         father_do_work(shmid);
  164.         wait(NULL);

  166.         if(shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL) < 0)
  167.         {
  168.             perror("Fail to shmctl");
  169.             exit(EXIT_FAILURE);
  170.         }
  171.     }

  173.     exit(EXIT_SUCCESS);
  174. }

运行结果:










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