Unix System V共享内存学习笔记(共享内存、信号量)

  Unix 环境中 System V进程间通信（IPC）包括3种机制：消息队列、信号量、共享内存。消息队列和信号量均是内核空间的系统对象，经由它们的数据需要在内核和用户空间进行额外的数据拷贝；而共享内存和访问它的所有应用程序均同处于用户空间，应用进程可以通过地址映射的方式直接读写内存，从而获得非常高的通信效率。

1.1、创建共享内存
核心函数 shmget 函数用于创建（或者获取）一个由key键值指定的共享内存对象，返回该对象的系统标识符：shmid；

共享内存对象系统标识 shmid = shmget(key, size, 0666|IPC_CREAT|IPC_EXCL)
shmget() -- 建立共享内存
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

key_t key
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     key标识共享内存的键值: 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_PRIVATE这个标志，则同样将创建一块新的共享内存。
     在IPC的通信模式下，不管是使用消息队列还是共享内存，甚至是信号量，每个IPC的对象(object)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之于文件，通过文件名，进程能够读写文件内的数据，甚至多个进程能够共用一个文件。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。
     Linux系统中的所有表示System V中IPC对象的数据结构都包括一个ipc_perm结构，其中包含有IPC对象的键值，该键用于查找System V中IPC对象的引用标识符。如果不使用“键”，进程将无法存取IPC对象，因为IPC对象并不存在于进程本身使用的内存中。
     通常，都希望自己的程序能和其他的程序预先约定一个唯一的键值，但实际上并不是总可能的成行的，因为自己的程序无法为一块共享内存选择一个键值。因此，在此把key设为IPC_PRIVATE，这样，操作系统将忽略键，建立一个新的共享内存，指定一个键值，然后返回这块共享内存IPC标识符ID。而将这个新的共享内存的标识符ID告诉其他进程可以在建立共享内存后通过派生子进程，或写入文件或管道来实现。

int size(单位字节Byte)
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     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。所以如果一段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)这样，新创建的共享内存的大小实际上是从size这个参数调整而来的页面大小。即如果size为1至4096，则实际申请到的共享内存大小为4K(一页)；4097到8192，则实际申请到的共享内存大小为8K(两页)，依此类推。

int shmflg
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     shmflg主要和一些标志有关。其中有效的包括IPC_CREAT和IPC_EXCL，它们的功能与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，否则打开操作。
     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。

     如果单独使用IPC_CREAT，shmget()函数要么返回一个已经存在的共享内存的操作符，要么返回一个新建的共享内存的标识符。如果将IPC_CREAT和IPC_EXCL标志一起使用，shmget()将返回一个新建的共享内存的标识符；如果该共享内存已存在，或者返回-1。IPC_EXEL标志本身并没有太大的意义，但是和IPC_CREAT标志一起使用可以用来保证所得的对象是新建的，而不是打开已有的对象。对于用户的读取和写入许可指定SHM_R和SHM_W,(SHM_R>3)和(SHM_W>3)是一组读取和写入许可，而(SHM_R>6)和(SHM_W>6)是全局读取和写入许可。

返回值
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成功返回共享内存的标识符；不成功返回-1，errno储存错误原因。
     EINVAL         参数size小于SHMMIN或大于SHMMAX。
     EEXIST         预建立key所致的共享内存，但已经存在。
     EIDRM          参数key所致的共享内存已经删除。
     ENOSPC         超过了系统允许建立的共享内存的最大值(SHMALL )。
     ENOENT         参数key所指的共享内存不存在，参数shmflg也未设IPC_CREAT位。
     EACCES         没有权限。
     ENOMEM         核心内存不足。

struct shmid_ds
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     shmid_ds数据结构表示每个新建的共享内存。当shmget()创建了一块新的共享内存后，返回一个可以用于引用该共享内存的shmid_ds数据结构的标识符。

include/linux/shm.h

     struct shmid_ds {
         struct ipc_perm     shm_perm;       /* operation perms */
         int                 shm_segsz;      /* size of segment (bytes) */
         __kernel_time_t     shm_atime;      /* last attach time */
         __kernel_time_t     shm_dtime;      /* last detach time */
         __kernel_time_t     shm_ctime;      /* last change time */
         __kernel_ipc_pid_t shm_cpid;       /* pid of creator */
         __kernel_ipc_pid_t shm_lpid;       /* pid of last operator */
         unsigned short      shm_nattch;     /* no. of current attaches */
         unsigned short      shm_unused;     /* compatibility */
         void                *shm_unused2; /* ditto - used by DIPC */
         void                *shm_unused3; /* unused */
     };

struct ipc_perm
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     对于每个IPC对象，系统共用一个struct ipc_perm的数据结构来存放权限信息，以确定一个ipc操作是否可以访问该IPC对象。

     struct ipc_perm {
         __kernel_key_t    key;
         __kernel_uid_t    uid;
         __kernel_gid_t    gid;
         __kernel_uid_t    cuid;
         __kernel_gid_t    cgid;
         __kernel_mode_t mode;
         unsigned short    seq;
};

1.2、获取共享内存的指针
核心处理函数： shmat(shmid, NULL, 0);

shmat()是用来允许本进程访问一块共享内存的函数。
int shmid是那块共享内存的ID。
char *shmaddr是共享内存的起始地址
int shmflag是本进程对该内存的操作模式。如果是SHM_RDONLY的话，就是只读模式。其它的是读写模式
成功时，这个函数返回共享内存的起始地址。失败时返回-1

1.3、其他的共享内存操作函数简要说明

# include <sys/types.h>
# include <sys/ipc.h>
# include <sys/shm.h>
key_t　　 ftok(const char *pathname, int proj_id);
int　　 shmget(key_t key, int size, int shmflg);
void*　　 shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
int　　 shmdt(void *shmaddr);
int　　 shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

ftok

函 数用于生成一个键值：key_t key，该键值将作为共享内存对象的唯一性标识符，并提供给为shmget函数作为其输入参数；ftok 函数的输入参数包括一个文件（或目录）路径名：pathname，以及一个额外的数字：proj_id，其中pathname所指定的文件（或目录）要求 必须已经存在，且proj_id不可为0；

shmget

函数用于创建（或者获取）一个由key键值指定的共享内存对象，返回该对象的系统标识符：shmid；

shmat

函数用于建立调用进程与由标识符shmid指定的共享内存对象之间的连接；

shmdt

函数用于断开调用进程与共享内存对象之间的连接；

shmctl

函数用于对已创建的共享内存对象进行查询、设值、删除等操作；

1.4、/*创建信号量*/
  
    其中的核心函数：
  
   if((semid = semget(key, semnum, 0666|IPC_CREAT|IPC_EXCL)) < 0)
 信号量函数 semget() semop() semctl()
    semget()

可以使用系统调用semget()创建一个新的信号量集，或者存取一个已经存在的信号量集：
系统调用：semget();
原型：intsemget(key_t key,int nsems,int semflg);
返回值：如果成功，则返回信号量集的IPC标识符。如果失败，则返回-1：errno=EACCESS(没有权限)
EEXIST(信号量集已经存在，无法创建)
EIDRM(信号量集已经删除)
ENOENT(信号量集不存在，同时没有使用IPC_CREAT)
ENOMEM(没有足够的内存创建新的信号量集)
ENOSPC(超出限制)
    系统调用semget()的第一个参数是关键字值（一般是由系统调用ftok()返回的）。系统内核将此值和系统中存在的其他的信号量集的关键字值进行比较。打开和存取操作与参数semflg中的内容相关。IPC_CREAT如果信号量集在系统内核中不存在，则创建信号量集。IPC_EXCL当和 IPC_CREAT一同使用时，如果信号量集已经存在，则调用失败。如果单独使用IPC_CREAT，则semget()要么返回新创建的信号量集的标识符，要么返回系统中已经存在的同样的关键字值的信号量的标识符。如果IPC_EXCL和IPC_CREAT一同使用，则要么返回新创建的信号量集的标识符，要么返回-1。IPC_EXCL单独使用没有意义。参数nsems指出了一个新的信号量集中应该创建的信号量的个数。信号量集中最多的信号量的个数是在linux/sem.h中定义的：
#defineSEMMSL32/*<=512maxnumofsemaphoresperid*/
下面是一个打开和创建信号量集的程序：
intopen_semaphore_set(key_t keyval,int numsems)
{
intsid;
if(!numsems)
return(-1);
if((sid=semget(mykey,numsems,IPC_CREAT|0660))==-1)
{
return(-1);
}
return(sid);
}
};
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semop()

系统调用：semop();
调用原型：int semop(int semid,struct sembuf*sops,unsign ednsops);
返回值：0，如果成功。-1，如果失败：errno=E2BIG(nsops大于最大的ops数目)
EACCESS(权限不够)
EAGAIN(使用了IPC_NOWAIT，但操作不能继续进行)
EFAULT(sops指向的地址无效)
EIDRM(信号量集已经删除)
EINTR(当睡眠时接收到其他信号)
EINVAL(信号量集不存在,或者semid无效)
ENOMEM(使用了SEM_UNDO,但无足够的内存创建所需的数据结构)
ERANGE(信号量值超出范围)
    第一个参数是关键字值。第二个参数是指向将要操作的数组的指针。第三个参数是数组中的操作的个数。参数sops指向由sembuf组成的数组。此数组是在linux/sem.h中定义的：
/*semop systemcall takes an array of these*/
structsembuf{
ushortsem_num;/*semaphore index in array*/
shortsem_op;/*semaphore operation*/
shortsem_flg;/*operation flags*/
sem_num将要处理的信号量的个数。
sem_op要执行的操作。
sem_flg操作标志。
    如果sem_op是负数，那么信号量将减去它的值。这和信号量控制的资源有关。如果没有使用IPC_NOWAIT，那么调用进程将进入睡眠状态，直到信号量控制的资源可以使用为止。如果sem_op是正数，则信号量加上它的值。这也就是进程释放信号量控制的资源。最后，如果sem_op是0，那么调用进程将调用sleep()，直到信号量的值为0。这在一个进程等待完全空闲的资源时使用。
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semctl()

系统调用：semctl();
原型：int semctl(int semid,int semnum,int cmd,union semunarg);
返回值：如果成功，则为一个正数。
如果失败，则为-1：errno=EACCESS(权限不够)
EFAULT(arg指向的地址无效)
EIDRM(信号量集已经删除)
EINVAL(信号量集不存在，或者semid无效)
EPERM(EUID没有cmd的权利)
ERANGE(信号量值超出范围)
    系统调用semctl用来执行在信号量集上的控制操作。这和在消息队列中的系统调用msgctl是十分相似的。但这两个系统调用的参数略有不同。因为信号量一般是作为一个信号量集使用的，而不是一个单独的信号量。所以在信号量集的操作中，不但要知道IPC关键字值，也要知道信号量集中的具体的信号量。这两个系统调用都使用了参数cmd，它用来指出要操作的具体命令。两个系统调用中的最后一个参数也不一样。在系统调用msgctl中，最后一个参数是指向内核中使用的数据结构的指针。我们使用此数据结构来取得有关消息队列的一些信息，以及设置或者改变队列的存取权限和使用者。但在信号量中支持额外的可选的命令，这样就要求有一个更为复杂的数据结构。
系统调用semctl()的第一个参数是关键字值。第二个参数是信号量数目。
    参数cmd中可以使用的命令如下：
    ·IPC_STAT读取一个信号量集的数据结构semid_ds，并将其存储在semun中的buf参数中。
    ·IPC_SET设置信号量集的数据结构semid_ds中的元素ipc_perm，其值取自semun中的buf参数。
    ·IPC_RMID将信号量集从内存中删除。
    ·GETALL用于读取信号量集中的所有信号量的值。
    ·GETNCNT返回正在等待资源的进程数目。
    ·GETPID返回最后一个执行semop操作的进程的PID。
    ·GETVAL返回信号量集中的一个单个的信号量的值。
    ·GETZCNT返回这在等待完全空闲的资源的进程数目。
    ·SETALL设置信号量集中的所有的信号量的值。
    ·SETVAL设置信号量集中的一个单独的信号量的值。
    参数arg代表一个semun的实例。semun是在linux/sem.h中定义的：
/*arg for semctl systemcalls.*/
unionsemun{
intval;/*value for SETVAL*/
structsemid_ds*buf;/*buffer for IPC_STAT&IPC_SET*/
ushort*array;/*array for GETALL&SETALL*/
structseminfo*__buf;/*buffer for IPC_INFO*/
void*__pad;
    val当执行SETVAL命令时使用。buf在IPC_STAT/IPC_SET命令中使用。代表了内核中使用的信号量的数据结构。array在使用GETALL/SETALL命令时使用的指针。
    下面的程序返回信号量的值。当使用GETVAL命令时，调用中的最后一个参数被忽略：
intget_sem_val(intsid,intsemnum)
{
return(semctl(sid,semnum,GETVAL,0));
}
    下面是一个实际应用的例子：
#defineMAX_PRINTERS5
printer_usage()
{
int x;
for(x=0;x<MAX_PRINTERS;x++)
printf("Printer%d:%d\n\r",x,get_sem_val(sid,x));
}
    下面的程序可以用来初始化一个新的信号量值：
void init_semaphore(int sid,int semnum,int initval)
{
union semunsemopts;
semopts.val=initval;
semctl(sid,semnum,SETVAL,semopts);
}
    注意系统调用semctl中的最后一个参数是一个联合类型的副本，而不是一个指向联合类型的指针。