Linux中IPC机制：共享内存区

前言

研究IPMI源码，实现将IPMI获取的性能数据传递给另一独立进程，主要用到的IPC方法就是共享内存。现在来说，基本是对共享内存这一机制有了更加透彻的理解和掌握。记录下。

相关背景：

Linux中IPC有几种实现版本，例如共享内存就有Posix共享内存与System V共享内存，它们的联系与区别？
答：Linux中的进程间通信机制源自于Unix平台上的进程通信机制。Unix的两大分支AT&T Unix和BSD Unix在进程通信实现机制上的各有所不同，前者对Unix早期的IPC进行系统的改进和扩充，形成了运行在单个计算机上的System V IPC，后者则跳过单机限制，实现了基于socket的进程间通信机制。同时因为Unix版本的多样性，IEEE又单独制定了一套独立的Posix IPC标准。在这三者基础上，Linux所继承的IPC，如图示：

也就是说，Linux上的IPC版本之间只是实现不同，效果并没有区别。

共享内存区

关于共享内存机制具体的介绍我就不多说了，内容网上多的是，有书的话请详细阅读《网络编程，卷二》。这里，我先后使用过Mmap映射同一文件方式与System V API方式分别进行了实验，就其中遇到的一些问题说一说。

1，Mmap 映射

1）指定映射文件

适用于两个独立的任何进程，通过指定同一个文件来实现共享内存方式的进程间通信。需要注意的是，进程之间在共享内存时，共享内存会一直保持到通信完毕为止，数据内容会一直在内存中。在解除映射之后，内存上的内容才写回文件。

原理：所映射文件的实际数据成了被共享内存区的内容。那如何保证各个独立进程寻址到同一内存页面？

<1> page cache及swap cache中页面的区分：一个被访问文件的物理页面都驻留在page cache或swap cache中，一个页面的所有信息由struct page来描述。struct page中有一个域为指针mapping ，它指向一个struct address_space类型结构。page cache或swap cache中的所有页面就是根据address_space结构以及一个偏移量来区分的；

<2> 文件与address_space结构的对应：一个具体的文件在打开后，内核会在内存中为之建立一个struct inode结构，其中的i_mapping域指向一个address_space结构。这样，一个文件就对应一个address_space结构，一个address_space与一个偏移量能够确定一个page cache 或swap cache中的一个页面。因此，当要寻址某个数据时，很容易根据给定的文件及数据在文件内的偏移量而找到相应的页面；

<3> 进程调用mmap()时，只是在进程空间内新增了一块相应大小的缓冲区，并设置了相应的访问标识，但并没有建立进程空间到物理页面的映射。因此，第一次访问该空间时，会引发一个缺页异常；

<4> 对于共享内存映射情况，缺页异常处理程序首先在swap cache中寻找目标页（符合address_space以及偏移量的物理页），如果找到，则直接返回地址；如果没有找到，则判断该页是否在交换区(swap area)，如果在，则执行一个换入操作；如果上述两种情况都不满足，处理程序将分配新的物理页面，并把它插入到page cache中。进程最终将更新进程页表；

<5> 所有进程在映射同一个共享内存区域时，情况都一样，在建立线性地址与物理地址之间的映射之后，不论进程各自的返回地址如何，实际访问的必然是同一个共享内存区域对应的物理页面；

以上原理出自参考的博文，对整个流程的理解，我用图表示：

实例仍然给出原博文例子，算是属于手抄版吧。。。反正是实例嘛，说明效果就好了。

/* example A */#include <sys/mman.h>#include <sys/types.h>#include <fcntl.h>#include <unistd.h>#include <stdio.h>#include <string.h>typedef struct{  char name[4];  int  age;}people;void main(int argc, char** argv) // map a normal file as shared mem:{        int fd,i;        people *p_map;        char temp;        fd = open(argv[1], O_CREAT|O_RDWR|O_TRUNC, 00777); // 注意O_TRUNC选项参数        lseek(fd, sizeof(people)*5-1, SEEK_SET);        write(fd, "", 1);           p_map = (people*) mmap( NULL, sizeof(people)*10, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0 );        close( fd );        temp = 'a';        for(i = 0; i < 10; i++)        {                temp += 1;                memcpy( (p_map+i)->name, &temp, 1 );                (p_map+i)->age = 20+i;        }        printf(" initialize over \n ");        sleep(10);        munmap( p_map, sizeof(people)*10 );        printf( "umap ok \n" );}

/* example B */#include <sys/mman.h>#include <sys/types.h>#include <fcntl.h>#include <unistd.h>#include <stdio.h>typedef struct{        char name[4];        int  age;}people;void main(int argc, char** argv)  // map a normal file as shared mem:{        int fd,i;        people *p_map;            fd=open( argv[1], O_CREAT|O_RDWR, 00777 );        p_map = (people*)mmap(NULL, sizeof(people)*10, PROT_READ|PROT_WRITE,                 MAP_SHARED, fd, 0);         for(i = 0; i < 10; i++)        {                   printf( "name: %s age %d;\n",(p_map+i)->name, (p_map+i)->age );        }        munmap( p_map, sizeof(people)*10 );}

这里需要注意的是open()文件时O_TRUNC的参数。这个每次打开文件时清零文件的，也就是说，如果有三个以上的进程需要访问此文件，打开时就会把之前两个进程的数据给清零掉，这是我们不愿意看到的。这个问题在一开始时没注意，出了问题还以为是共享内存本身机制的问题，后来逐一对照代码，才发现原因所在。刚学习的同学尤其注意，实例代码也不能拿来就用，还是要自己搞明白才好。

另外需要说明的是，我没有遇到原文中提到的进程B在未解除映射时和解除映射后对共享内存的访问时候的差异，实在没找的原因。对文件大小和映射内存大小的限制也没有体现。贴上实例效果，我在想是否有可能是现在的内核版本中已经完善，就是只要不跨越内存页，超过文件大小的共享内存区域依然能够访问。

2）匿名映射文件

适用于具有亲缘关系的父子进程。原理同上。

所谓的匿名映射文件，只不过指定文件映射的一种特殊形式，本质上并无不同。这种形式主要就是基于Linux中父子进程创建的方式。父进程通过在调用fork()函数创建子进程之前，通过mmap()创建共享内存区，之后fork的子进程继承父进程资源，自然也就共享父进程mmap后的映射空间了。

直接贴上手抄版实例：

/* fork example */#include <sys/mman.h>#include <sys/types.h>#include <fcntl.h>#include <unistd.h>#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <string.h>typedef struct{        char name[4];        int  age;}people;void main(int argc, char** argv){        int i;        people *p_map;        char temp;        p_map = (people *)mmap(NULL, sizeof(people)*10, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);         if (fork() == 0)        {                   sleep(2);                for (i = 0;i < 5;i++)                {                        printf("child read: the %d people's age is %d\n", i+1, (p_map+i)->age);                }                p_map->age = 100;                munmap(p_map, sizeof(people)*10); //实际上，进程终止时，会自动解除映射。                exit(1);        }        temp = 'a';        for (i = 0; i < 5;i++)        {                temp += 1;                memcpy((p_map+i)->name, &temp, 1);                (p_map+i)->age = 20+i;        }        sleep(5);        printf("parent read: the first people,s age is %d\n", p_map->age);        printf("umap\n");        munmap(p_map,sizeof(people)*10);        printf("umap ok\n");}

3) 对Mmap()返回地址的访问

这一块主要东西我觉得还是看《卷二》吧，其中的内容其实也还好，容易理解。

2，System V API

System V学习起来相对很简单，因为你只要会用接口就成。原理很mmap()文件映射是一样一样的。

总结

总的来说，共享内存对于数据的存取效率是很高效的。但目前为止，我觉得对于数据类型比较多，且结构复杂，像数组嵌套之类的用这个太蛋疼了。。因为我只知道一个共享内存的首地址，所以对内存的访问只能一个萝卜一个坑的去找。很不爽。不过，也可能是目前见识有限，暂就这些吧。

另外，真心觉得写这种技术型文章很费精力啊。。远不是贴两个程序，说两句话就成的。这方面，我做的不够。

主要参考：

博文：Linux环境进程间通信（五）: 共享内存（上）

《网络编程，卷二》