共享内存
来源:互联网 发布:邮箱都有哪些域名 编辑:程序博客网 时间:2024/05/18 03:49
共享内存可以说是最有用的进程间通信方式,也是最快的IPC形式。两个不同进程A、B共享内存的意思是,同一块物理内存被映射到进程A、B各自的进程地址空间。进程A可以即时看到进程B对共享内存中数据的更新,反之亦然。由于多个进程共享同一块内存区域,必然需要某种同步机制,互斥锁和信号量都可以。
采用共享内存通信的一个显而易见的好处是效率高,因为进程可以直接读写内存,而不需要任何数据的拷贝。对于像管道和消息队列等通信方式,则需要在内核和用户空间进行四次的数据拷贝,而共享内存则只拷贝两次数据[1]:一次从输入文件到共享内存区,另一次从共享内存区到输出文件。实际上,进程之间在共享内存时,并不总是读写少量数据后就解除映射,有新的通信时,再重新建立共享内存区域。而是保持共享区域,直到通信完毕为止,这样,数据内容一直保存在共享内存中,并没有写回文件。共享内存中的内容往往是在解除映射时才写回文件的。因此,采用共享内存的通信方式效率是非常高的。
默认情况下通过fork派生的子进程并不与父进程共享内存区。通过一个程序来验证,程序功能是让父子进程都给一个名为count的全局变量加1操作,程序如下:
#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <semaphore.h>#include <fcntl.h>#define SEM_NAME "mysem"#define FILE_MODE (S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH)int count = 0;int main(int argc,char* argv[]){ int i,nloop; sem_t *mutex; if(argc != 2) { printf("usage: incrl <#loops>"); exit(0); } nloop = atoi(argv[1]); //创建有名信号量 mutex = sem_open(SEM_NAME,O_RDWR|O_CREAT|O_EXCL,FILE_MODE,1); sem_unlink(SEM_NAME); //将stdout设置为非缓冲的 setbuf(stdout,NULL); //子进程开始执行增加1 if(fork() == 0) { for(i = 0;i<nloop;++i) { sem_wait(mutex); printf("child: %d\n",count++); sem_post(mutex); } exit(0); } //父进程执行增加1操作 for(i = 0;i<nloop;++i) { sem_wait(mutex); printf("parent: %d\n",count++); sem_post(mutex); } //等待子进程退出 wait(NULL); exit(0);}
程序执行结果如下所示:
从结果可以看出父子进程都有各自的全局变量count的副本,每个进程都从该变量为0的初始值开始的,每次增加的对象是各自的变量的副本。
共享内存操作函数:
1、系统调用mmap()
void* mmap ( void * addr , size_t len , int prot , int flags , int fd , off_t offset )
mamap函数把一个文件或一个Posix共享内存区对象映射到调用进程的地址空间。参数fd为即将映射到进程空间的文件描述字,一般由open()返回,同时,fd可以指定为-1,此时须指定flags参数中的MAP_ANON,表明进行的是匿名映射(不涉及具体的文件名,避免了文件的创建及打开,很显然只能用于具有亲缘关系的进程间通信)。len是映射到调用进程地址空间的字节数,它从被映射文件开头offset个字节开始算起。prot 参数指定共享内存的访问权限。可取如下几个值的或:PROT_READ(可读) , PROT_WRITE (可写), PROT_EXEC (可执行), PROT_NONE(不可访问)。flags由以下几个常值指定:MAP_SHARED , MAP_PRIVATE , MAP_FIXED,其中,MAP_SHARED , MAP_PRIVATE必选其一,而MAP_FIXED则不推荐使用。offset参数一般设为0,表示从文件头开始映射。参数addr指定文件应被映射到进程空间的起始地址,一般被指定一个空指针,此时选择起始地址的任务留给内核来完成。函数的返回值为最后文件映射到进程空间的地址,进程可直接操作起始地址为该值的有效地址。
2、系统调用munmap()
int munmap( void * addr, size_t len )
munmap函数从某个进程的地址空间中删除一个映射关系。addr是调用mmap()时返回的地址,len是映射区的大小。当映射关系解除后,对原来映射地址的访问将导致段错误发生。
3、系统调用msync()
int msync ( void * addr , size_t len, int flags)
一般说来,进程在映射空间的对共享内容的改变并不直接写回到磁盘文件中,往往在调用munmap()后才执行该操作。可以通过调用msync()实现磁盘上文件内容与共享内存区的内容一致。
现使用共享内存实现在内存映射文件中个计数器持续加1,程序如下所示:
#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <semaphore.h>#include <fcntl.h>#include <sys/mman.h>#include <errno.h>#define SEM_NAME "mysem"#define FILE_MODE (S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH)int main(int argc,char* argv[]){ int fd,i,nloop,zero = 0; int *ptr; sem_t *mutex; if(argc != 3) { printf("usage: incrl <#loops>"); exit(0); } nloop = atoi(argv[2]); //打开文件 fd = open(argv[1],O_RDWR|O_CREAT,FILE_MODE); //向文件中写入0值 write(fd,&zero,sizeof(int)); //将文件映射到进程地址空间,返回被映射区的起始地址 ptr = mmap(NULL,sizeof(int),PROT_READ| PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0); if(ptr == MAP_FAILED) { perror("mmap() error"); exit(0); } close(fd); mutex = sem_open(SEM_NAME,O_RDWR|O_CREAT|O_EXCL,FILE_MODE,1); sem_unlink(SEM_NAME); setbuf(stdout,NULL); if(fork() == 0) { for(i = -0;i<nloop;++i) { sem_wait(mutex); printf("child: %d\n",(*ptr)++); sem_post(mutex); } exit(0); } for(i = 0;i<nloop;++i) { sem_wait(mutex); printf("parent: %d\n",(*ptr)++); sem_post(mutex); } wait(NULL); exit(0);}
程序执行结果如下所示:
从结果可以看出父子进程共享内存区。可以将这个程序改成使用posix匿名信号量,而不是一个Posix有名信号量,并把该信号量存放在共享内存中。程序如下所示:
#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <unistd.h>#include <sys/types.h>#include <semaphore.h>#include <fcntl.h>#include <sys/mman.h>#include <errno.h>#define FILE_MODE (S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH)//共享内存结构struct shared{ sem_t mutex; //信号量 int count; //计数器}shared;int main(int argc,char* argv[]){ int fd,i,nloop; struct shared *ptr; if(argc != 3) { printf("usage: incrl <#loops>"); exit(0); } nloop = atoi(argv[2]); fd = open(argv[1],O_RDWR|O_CREAT,FILE_MODE); write(fd,&shared,sizeof(struct shared)); ptr = mmap(NULL,sizeof(struct shared),PROT_READ| PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0); if(ptr == MAP_FAILED) { perror("mmap() error"); exit(0); } close(fd); sem_init(&ptr->mutex,1,1); setbuf(stdout,NULL); if(fork() == 0) { for(i = -0;i<nloop;++i) { sem_wait(&ptr->mutex); printf("child: %d\n",ptr->count++); sem_post(&ptr->mutex); } exit(0); } for(i = 0;i<nloop;++i) { sem_wait(&ptr->mutex); printf("parent: %d\n",ptr->count++); sem_post(&ptr->mutex); } wait(NULL); exit(0);}
程序执行结果与上面的一致。从上面的程序发现,我们在进行文件映射的时候,当文件不存在的时候需要在文件系统中创建一个文件然后打开。我们可以使用匿名内存映射,避免了文件的创建和打开。其解决办法是将mmap的flags的参数指定为MAP_SHARED | MAP_ANON,把fd参数指定为-1,offset参数则被忽略。这样的内存区初始化为0。实现如下所示:
int *ptr;ptr = mmap(NULL,sizeof(int),PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED | MAP_ANON,-1,0);
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