转载：UNIX系统共享内存的应用编程技术

UNIX系统共享内存的应用编程技术

中国工商银行惠安县支行(362100) 庄文祥

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共享内存(Shared Memory,下简称SHM)是指由一个进程创建并可与其他进程共享的内存
块,在UNIX系统中利用SHM可以实现进程间通信(IPC)。为了对系统共享资源(包括SHM)进行
访问的互斥控制,就要用到信号量(Semaphore)机制。系统要求进程在存取共享内存之前应
该先获得相应的信号量的控制。在编程中,共享内存常常要与信号量产生相应的关系。
一,共享内存的创建与控制
UNIX系统开发软件包提供了一系列的函数来实现共享内存的创建与控制。比如调用sh
mget函数用于创建共享内存;调用shmctl函数用于控制共享内存。例程如下:
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define SHMKEY Ox1688
#define NODENUM 20
int SHM_id;
struct shmid_ds shm_f;
if((SHM_id=shmget((ket_t)SHMKEY,NODENUM*sizeof(struct pidtos),IPC_CREAT｜IPC
_EXCL｜0660))<0)
prinf("Create Shared Memory Fail!");
shm_f.shm_perm.uid=220;/*有效用户主标识*/
shm_f.shm_perm.gid=110;/*有效用户组标识*/
shm_f.shm_perm.mode=0660;/*操作许可*/
if(shmctl(SHM_id,IPC_SET,&shm_f)<0)
printf("Set Shard Memory Error");
函数shmget的调用格式如下:
int shmget(key,size,shmflg)
key_t key;/*SHM关键值*/
unsigned int size;/*SHM长度*/
int shmflg;/*标志*/
作用是创建共享内存或获取已创建的共享内存的标识符。实参shmflg的值必须是一个
整数,且规定下列内容:(1)访问权限,(2)执行方式,(3)控制字段。在创建SHM时,该标志可设
为IPC_CREAT(创建,值是01000)!IPC_EXCL(限制唯一创建,值是02000)!0660(访问权限)。成
功时返回创建的共享内存标识符,失败时返回-1。实参size的值应大于SHMMIN且小于SHMMA
X,否则该系统调用失败。当shmflg=0时,用于获取已存在的SHM的标识符。
函数shmctl的调用格式如下:
int shmctl(shmid,cmd,sbuf)
int shmid;/*由shmget获取的SHM的标识符*/
int cmd;/*将对SHM进行的控制命令*/
struct shmid_ds*sbuf;/*存放操作数*/
作用是对共享内存进行由cmd指定的控制操作。cmd的值比较有用的是下面两个:
IPC_SET 对于规定的shmid,设置有效用户和组标识及操作权限。
IPC_RMID 连同其相关的SHM段数据结构一起,删除规定的shmid。执行IPC_SET或IPC_R
MID的进程必须具有Owner/Creator或超级用户的有效用户标识。
系统创建的SHM仅仅是内存中一块连续的区域,本身并没有结构。用户进程对共享内存
不能直接进行存取,需要将共享内存附接在进程的数据段上,进程才能对其进行存取,实现方
法是:用户进程可以根据需要自行定义一个数据结构(如pidtos),然后将共享内存的地址用
函数shmat赋值给指向结构pidtos的指针buf,相当于是给指针变量分配内存,让buf指向共享
内存的起始处。然后就可用数组的方法,按数据结构的长度等分共享内存。这个过程可称之
为共享内存的"结构化"。例程如下:
struct pidtos{
char rhostname[10];
long pidsc;
}*buf;
int
if((buf=(struct pidtos*)shmat(SHM_idm,(char*)0,0))<0)
printf("Access SHM Error!");
for(i=0;i<NODENUM;I++)(
Strcpy(buf[i].rhostname,"");
buf[i].pidsc=0;
) /*如果有必要,就初始化SHM*/
shmdt((char*)buf);/*拆接SHM,释放指针buf*/
函数shmat及shmdt的调用格式:
char*shmat(shmid,shmaddr,shmflg)
int shmid;/*SHM标识符*/
char*shmaddr;/*相当于偏移量*/
int shmflg;/*标志*/
作用是将共享内存附接到进程的数据段上。实际上是将共享内存在主存中的地址+shm
addr后赋值给进程中的某一指针。shmaddr相当于偏移量,相对于共享内存在主存中的起始
地址。调用失败时返回(char*)-1.shmflg可取值为0,或者是SHM_RND和SHM_EDONLY中的一个
或两者的或。
int shmdt(shmaddr)
char *shmaddr;/*采用shmat函数的返回值*/
作用是拆接共享内存段,成功时返回0,失败时返回-1。
二,信号量的创建与控制
为了支持并发进程对共享内存的互斥访问,保证共享内存中数据的一致性以及对共享内
存操作的完整性(原子性)。一个进程在SHM操作之前先要将SHM加锁,在操作完成后再将其解
锁,为此引入了信号量机制。信号量可用来控制一个共享资源,当然也包括共享内存。由于
许多应用需要使用一个以上的信号量,因此UNIX系统中具备有创建信号量组的能力。信号量
组可以含有一个或多个信号量。比如我们可以用一个信号量组中编号为0的信号量来控制一
个资源,再用编号为1的信号量来控制另一资源。当我们在编制程序时应该知道它们之间的
对应关系。信号量的创建与控制和共享内存的创建与控制很相似。如下面的例程:
#define SEMKEY 0x1680
int SEM_id;
struct semid_ds sem_f;
union semun{
int val;
struct semid_ds *buf;
ushort array[1];/*[]中的值应根据信号量数目具体定义*/
}arg;
if((SEM_id=semget((key_t)SEMKEY,1,IPC_CREAT｜IPC_EXCL;0660)<0)
printf("Creat Semaphore Fail!");
arg.val=0;
if(semct(SEM_id,0,SETVAL,arg.val)<0)
printf("Access Semaphore Error!");
/*信号量的值必须初始化。将编号为0的信号量的值初始化为0*/
arg.buf=&sem_f;
sem_f.sem_perm.uid=220;/*有效用户主标识*/
shm_f.shm_perm.gid=110;/*有效用户组标识*/
shm_f.shm_perm.mode=0660;/*操作许可*/
if(semctl(SEM_id,IPC_SET,arg)<0)
printf("Set Semaphore Error!");
上述例程首先设置一个信号量组的关键值(SEMKEY),然后调用semgetr利用该关键值创
建只有一个信号量的信号量组。其中第三个参数的含义与函数shmget第三个参数的含义一
样。
函数semget的调用格式:
int semget(key,nsems,semflg)
key_t key;/*信号量组的关键值*/
int nsems;/*信号量个数*/
int semflg;/*信号量组的创建标志*/
用来创建一个信号量组,其中包含nsems个信号量,编号从0至nsems-1;创建方式及访问
权限由semflg指定。成功时初始化相应的控制块信息,并返回创建的信号量组的标识符,出
错时返回-1。当semflg=0时用于获取已存在的信号量的标识符。
函数semctl的调用格式:
int semctl(semid,semnum,cmd,arg)
int semid;/*信号量组的标识符*/
int semnum;/*信号量的编号*/
int cmd;/*控制命令*/
union semun{
int val;
struct semid_ds *buf;
ushort array[nsems];/*nsems具体根据信号量的数目定义*/
}arg;/*操作数*/
作用是对指定的信号量组或组中编号为semnum的信号量进行由cmd指定的控制操作。比
较有用的cmd命令如下:
cmd 作用
SETVAL 将信号量(semid,semnm)的当前值置为arg.val的值,常用于初始化某个信号量
IPC_SET 将信号量组的状态信息设置成arg.buf中的内容
IPC_RMID 删除信号量组标识符semid
对信号量的操作由semop函数来实现。当一个进程存取某一共享内存时,先查看相应信
号量的值,若为0,则表示SHM目前空闲,未被其他进程占用,那么就将信号量置1,表示SHM已被
占用,然后进程就可存取SHM;若信号量不为0,表明此时SHM已被其他进程占用了,于是这个进
程开始睡眠,等待其他进程释放SHM,即信号量为0时,才被系统唤醒。如下面的例程:
static struct sembuf sem_lock[2]=(0,0,0,0,1,0);
if(semop(SEM_id,&sem_lock[0],2)<0)
printf("Access Semaphore Error!");/*加锁*/其中结构sembuf由系统定义:
struct sembuf{
int sem_num;/*信号量编号*/
int sem_op;/*信号量操作数*/
int sem_flg;}/*操作标志*/
数组sem_lock[2]可以看作是sem_lock[0]=(0,0,0)及sem_lock[1]=(0,1,0)的组合。
上面的例程实际上是两步合为一步来做,是对同一个信号量(编号为0)做两次不同的操作。
经过这一步后,实际上可以看作是已经将SHM加锁,进程接下来就可以创建或存取SHM了。如
果其他进程此时想占用SHM,就必须等待。当操作完成后,为了其他进程可以存取SHM,就要释
放资源,将信号量的值重新清零,即一个解锁的过程。
static struct sembuf sem_unlock[1]=(0,-1,IPC_NOWAIT);
if(semop(SEM_id,&sem_unlock[0],1)<0)
printf("Access Semaphore Error!");/*解锁*/
在此之前,信号量的值为1,小于等于-1的绝对值,于是就将信号量减1,重置为0,表示资
源已经释放。如果信号量的当前值为0,小于-1的绝对值,因为标志设为IPC_NOWAIT,就会立
即返回,此时因为信号量的值为0,表示资源空闲,也就无所谓解锁了。
显然对于共享内存的互斥控制采用的是VP算法。该算法还有另一种实现方式:用信号量
为1表示资源空闲,信号量为0表示资源占用,正好与上面的做法相反。在这种情况下,应将信
号量的值初始化为1。例程如下:
static struct sembuf sem_lock[1]=(0,-1,0),
sem_unlock[1]=(0,1,0);
semop(SEM_id,&sem_lock[0],1);/*解锁*/
加锁时,如果信号量当前值为1(资源空闲),那么就减1,这时信号量的值变为0,表示资源
已经被占用。如果信号量当前值为0(资源占用),因为0小于-1的绝对值,于是进程开始睡眠
,直到该信号量变为1时,才被系统唤醒。解锁时,如果信号量当前值为0,那么就加一,这时信
号量的值为1,表示资源空闲。这种方式更加简单一些。
函数semop的调用格式:
int semop(semid,sops,nsops)
int semid;/*信号量组标识符*/
struct sembuf**sops;/*指向信号操作量数缓冲区*/
unsigned nsops;/*操作的信号量信数*/
功能是完成对标识符为semid的信号量组中若干信号量的操作,根据sops[i]sem_flg及
操作数sops[i].sem_op,对编号为sops[i]·sem_num的信号量进行操作。一共要做nsops次这
样的操作,这个过程可称之为信号量的"块操作",类似批处理方法。
利用上面的三个函数,可以实现对共享资源的互斥访问,也可设计出具有复杂同步操作
要求的并发程序。不同进程对SHM的互斥访问可用图1表示:
@@46P16100.GIF;图1@@
三,共享内存的实际应用
我们假设一个初始化程序(程序init)已经完成了SHM及信号量组的创建过程。这时不同
的进程可用相同的关键值(SHMKEY)去存取共享内存,互斥访问也用相同的信号量去控制,关
键值是SEMKEY。我们假设进程(程序progl)是一个与远程主机连接的通信进程,其所要连接
的远程主机名由命令行参数argv[1]指定。进程将远程主机名和本身的进程号在SHM中登记
或更新。如:
SEM_id=semget((key_t)SEMKEY,1,0);
semop(SEM_id,&sem_lock[0],2);/*加锁*/
SHM_id=shmget((key_t)SHMKEY,NODENUM*sizeof(struct pidtos),0);
buf=(struct pidtos*)shmat(SHM_id,(char*)0,0);
for(i=0;i
if(srcmp(buf[i].rhostname,argv[1]==0) break;
if(buf[i].pidsc==0) break;
if(i==NODENUM) return(-1);
strcpy(buf[i].rhostname,argv[1]);
buf[i].pidsc=getpid();/*操作部分结束*/
shmdt((char *)buf);/*拆接SHM*/
semop(SEM_id,&sem_unlock[0],1);/*解锁*/
这样相同的一批进程带不同的命令行参数运行后,就在SHM中登记了一批远程主机名和
与之相连的通信进程的进程号。下面我们就可让进程(程序prog2)依据远程主机名(Remote
Host)在SHM中查出与该主机相连的通信进程的进程号,以实现对这些通信进程的管理。只要
将上面例程中的操作部分换成下面的程序段即可。
for(i=0;i<NODENUM;I++)
if(strcmp(buf[i].rhostname,RemoteHost)==0)
break;
if(i==NODENUM) pid=-1;else
pid=buf[i].pidsc;
总之,不同进程通过相同的关键值SHMKEY及SEMKEY,来获取共享内存及信号量的标识符
,然后使用标识符分别对它们进行操作。相同的关键值是实现不同进程共享资源的基础与前
提。
四,有关安全性的问题
所谓安全性问题指的是在一个进程将共享内存加锁以后,由于某种原因该进程停止了运
行,没能执行解锁操作,从而使SHM一直处于被锁状态,致使其他进程无法使用SHM。为了尽量
避免出现这种情况,我们可以将一些系统信号忽略掉。具体做法是先定义一些函数指针,将
原来系统对这些信号的处理功能暂放函数指针中,然后设置对这些信号的处理方式为SIG_I
GN(忽略)。如:
int (*f1)();
int (*f2)();
int (*f3)();
int (*f4)();
f1=signal(SIGINT,SIG_IGN);
f2=signal(SIGTERM,SIG_IGN);
f3=signal(SIGQUIT,SIG_IGN);
f4=signal(SIGHUP,SIG_IGN);
在对SHM操作后,无论成功与否都要将对这些系统信号原来的处理功能恢复过来。如:
signal(SIGINT,f1);
signal(SIGTERM,f2);
signal(SIGQUIT,f3);
signal(SIGHUP,f4);