Linux 进程通信之 共享内存

Linux进程间通信 共享内存

 

一．共享内存基本概念

共享内存是被多个进程共享的一部分物理内存，也是进程间共享数据最快的方法。进程可以将同一段共享内存连接到它们自己的地址空间中，所有进程都可以访问共享内存中的地址，就好像它们是由用C语言函数malloc分配的内存一样。而如果某个进程向共享内存写入数据，所做的改动将立即影响到可以访问同一段共享内存的任何其他进程。

共享内存并未提供同步机制，也就是说，在第一个进程结束对共享内存的写操作之前，并无自动机制可以阻止第二个进程开始对它进行读取。所以我们通常需要用其他的机制来同步对共享内存的访问，例如信号量。

 

 

二．    操作共享内存

1.  创建共享内存，使用shmget函数。

不相关的进程可以通过该函数的返回值访问同一共享内存，它代表程序可能要使用的某个资源，程序对所有共享内存的访问都是间接的，程序先通过调用shmget函数并提供一个键，再由系统生成一个相应的共享内存标识符（shmget函数的返回值），只有shmget函数才直接使用信号量键，所有其他的信号量函数使用由semget函数返回的信号量标识符。

 

2． 映射共享内存，将这段创建的共享内存映射到具体的进程空间去，使用shmat函数。

 

 

三．共享内存API

1. int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

函数作用：创建共享内存

函数参数：key标识共享内存的键值：0/IPC_PRIVATE。

key=IPC_PRIVATE 函数shmget将创建一块新的共享内存；

key=0，而参数中又设置了IPC_PRIVATE这个标志，则同样会创建一块新的共享内存。

Size：以字节为单位指定需要共享的内存容量

Shmflg：权限标志，它的作用与open函数的mode参数一样，

返回值：如果成功，返回共享内存表示符，如果失败，返回-1。

 

2. void *shmat(int shm_id, const void *shm_addr, int shmflg); 

函数作用：启动对该共享内存的访问，并把共享内存连接到当前进程的地址空间 

      函数参数：shm_id：共享内存标识

                shm_addr：指定共享内存连接到当前进程中的地址位置，通常为空，表示让系统来选择共享内存的地址。

shm_flg：一组标志位，通常为0。

      返回值：成功时返回一个指向共享内存第一个字节的指针，如果调用失败返回-1.

 

3.  int shmdt(const void *shmaddr);  

函数作用：将共享内存从当前进程中分（不是删除，只是使共享内存对当前进程不再可用)

函数参数：shmaddr：shmat函数返回的地址指针

      返回值：成功时返回0，失败时返回-1.

 

4.  int shmctl(int shm_id, int command, struct shmid_ds *buf);  

函数作用：控制共享内存

函数参数：shm_id：共享内存标识

              command是要采取的操作，它可以取下面的三个值：

           IPC_STAT：把shmid_ds结构中的数据设置为共享内存的当前关联值，即用共享内存的当前关联值覆盖shmid_ds的值。

           IPC_SET：如果进程有足够的权限，就把共享内存的当前关联值设置为shmid_ds结构中给出的值

           IPC_RMID：删除共享内存段

             buf: 结构指针，它指向共享内存模式和访问权限的结构。

 

      返回值：成功时返回0，失败时返回-1.

四. 共享内存应用

1. 结构shared_use_st设置written作为一个可读或可写的标志 

struct shared_use_st  {      int written;//作为一个标志，非0：表示可读，0表示可写      char text[TEXT_SZ];//记录写入和读取的文本  };  

1. #include <unistd.h>  
2. #include <stdlib.h>  
3. #include <stdio.h>  
4. #include <sys/shm.h>  
5. #include "shmdata.h"  
6.   
7. int main()  
8. {  
9.     int running = 1;//程序是否继续运行的标志  
10.     void *shm = NULL;//分配的共享内存的原始首地址  
11.     struct shared_use_st *shared;//指向shm  
12.     int shmid;//共享内存标识符  
13.     //创建共享内存  
14.     shmid = shmget((key_t)1234, sizeof(struct shared_use_st), 0666|IPC_CREAT);  
15.     if(shmid == -1)  
16.     {  
17.         fprintf(stderr, "shmget failed\n");  
18.         exit(EXIT_FAILURE);  
19.     }  
20.     //将共享内存连接到当前进程的地址空间  
21.     shm = shmat(shmid, 0, 0);  
22.     if(shm == (void*)-1)  
23.     {  
24.         fprintf(stderr, "shmat failed\n");  
25.         exit(EXIT_FAILURE);  
26.     }  
27.     printf("\nMemory attached at %X\n", (int)shm);  
28.     //设置共享内存  
29.     shared = (struct shared_use_st*)shm;  
30.     shared->written = 0;  
31.     while(running)//读取共享内存中的数据  
32.     {  
33.         //没有进程向共享内存定数据有数据可读取  
34.         if(shared->written != 0)  
35.         {  
36.             printf("You wrote: %s", shared->text);  
37.             sleep(rand() % 3);  
38.             //读取完数据，设置written使共享内存段可写  
39.             shared->written = 0;  
40.             //输入了end，退出循环（程序）  
41.             if(strncmp(shared->text, "end", 3) == 0)  
42.                 running = 0;  
43.         }  
44.         else//有其他进程在写数据，不能读取数据  
45.             sleep(1);  
46.     }  
47.     //把共享内存从当前进程中分离  
48.     if(shmdt(shm) == -1)  
49.     {  
50.         fprintf(stderr, "shmdt failed\n");  
51.         exit(EXIT_FAILURE);  
52.     }  
53.     //删除共享内存  
54.     if(shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1)  
55.     {  
56.         fprintf(stderr, "shmctl(IPC_RMID) failed\n");  
57.         exit(EXIT_FAILURE);  
58.     }  
59.     exit(EXIT_SUCCESS);  
60. }  

1. #include <unistd.h>  
2. #include <stdlib.h>  
3. #include <stdio.h>  
4. #include <string.h>  
5. #include <sys/shm.h>  
6. #include "shmdata.h"  
7.   
8. int main()  
9. {  
10.     int running = 1;  
11.     void *shm = NULL;  
12.     struct shared_use_st *shared = NULL;  
13.     char buffer[BUFSIZ + 1];//用于保存输入的文本  
14.     int shmid;  
15.     //创建共享内存  
16.     shmid = shmget((key_t)1234, sizeof(struct shared_use_st), 0666|IPC_CREAT);  
17.     if(shmid == -1)  
18.     {  
19.         fprintf(stderr, "shmget failed\n");  
20.         exit(EXIT_FAILURE);  
21.     }  
22.     //将共享内存连接到当前进程的地址空间  
23.     shm = shmat(shmid, (void*)0, 0);  
24.     if(shm == (void*)-1)  
25.     {  
26.         fprintf(stderr, "shmat failed\n");  
27.         exit(EXIT_FAILURE);  
28.     }  
29.     printf("Memory attached at %X\n", (int)shm);  
30.     //设置共享内存  
31.     shared = (struct shared_use_st*)shm;  
32.     while(running)//向共享内存中写数据  
33.     {  
34.         //数据还没有被读取，则等待数据被读取,不能向共享内存中写入文本  
35.         while(shared->written == 1)  
36.         {  
37.             sleep(1);  
38.             printf("Waiting...\n");  
39.         }  
40.         //向共享内存中写入数据  
41.         printf("Enter some text: ");  
42.         fgets(buffer, BUFSIZ, stdin);  
43.         strncpy(shared->text, buffer, TEXT_SZ);  
44.         //写完数据，设置written使共享内存段可读  
45.         shared->written = 1;  
46.         //输入了end，退出循环（程序）  
47.         if(strncmp(buffer, "end", 3) == 0)  
48.             running = 0;  
49.     }  
50.     //把共享内存从当前进程中分离  
51.     if(shmdt(shm) == -1)  
52.     {  
53.         fprintf(stderr, "shmdt failed\n");  
54.         exit(EXIT_FAILURE);  
55.     }  
56.     sleep(2);  
57.     exit(EXIT_SUCCESS);  
58. }  

2.结合信号量 PV操作 （实现生产组和消费者的机制，利用共享内存实现文件的打开和读写操作。pv操作）

这个程序是不安全的，当有多个程序同时向共享内存中读写数据时，问题就会出现。只有当written为0时进程才可以向共享内存写入数据，而当一个进程只有在written不为0时才能对其进行读取，同时把written进行加1操作，读取完后进行减1操作。这就有点像文件锁中的读写锁的功能。咋看之下，它似乎能行得通。但是这都不是原子操作，所以这种做法是行不能的。试想当written为0时，如果有两个进程同时访问共享内存，它们就会发现written为0，于是两个进程都对其进行写操作，显然不行。当written为1时，有两个进程同时对共享内存进行读操作时也是如些，当这两个进程都读取完是，written就变成了-1.

要想让程序安全地执行，就要有一种进程同步的进制，保证在进入临界区的操作是原子操作。例如，可以使用前面所讲的信号量来进行进程的同步。因为信号量的操作都是原子性的。

例：

#include"shm_com.h"#include"sem_com.h"#include<signal.h>int ignore_signal(void){ /*忽略一些信号，以免非法突出程序*/signal(SIGINT,SIG_IGN);signal(SIGSTOP,SIG_IGN);signal(SIGQUIT,SIG_IGN);return 0;}int main(){char *shared_memory;struct shm_buff *shm_buff_inst;char buffer[BUFSIZ];int shmid,semid;/*定义信号量,用于实现访问共享内存的进程间的互斥*/ignore_signal();  /*用于防止程序非正常退出*/semid=semget(ftok(".",'a'),1,0666|IPC_CREAT);/*创建一个信号量*/init_sem(semid,1); /*初始值为1*//*创建共享内存*/shmid=shmget(ftok(".",'c'),sizeof(struct shm_buff),0666|IPC_CREAT);if(shmid==-1){perror("shmget failed");del_sem(semid);exit(1);}/*将共享内存地址映射到当前进程地址空间*/shared_memory=shmat(shmid,0,0);if(shared_memory==(void*)-1){perror("shmat");del_sem(semid);exit(1);}printf("Memory attached at %p\n",shared_memory);/*获取共享内存的映射地址*/shm_buff_inst=(struct shm_buff *)shared_memory;do{sem_p(semid);printf("Emter some text to the shared memory(enter 'quit' to exit):");/*向共享内存写入数据*/if(fgets(shm_buff_inst->buffer,SHM_BUFF_SZ,stdin)==NULL){perror("fgets");sem_v(semid);break;}shm_buff_inst->pid=getpid();sem_v(semid);}while(strncmp(shm_buff_inst->buffer,"quit",4)!=0);/*删除信号量*/del_sem(semid);/*删除共享内存到当前进程地址空间中的映射*/if(shmdt(shared_memory)==-1){perror("shmdt");exit(1);}exit(0);}

#include"shm_com.h"#include"sem_com.h"int main(){char *shared_memory=NULL;struct shm_buff *shm_buff_inst;int shmid,semid;/*获得信号量*/semid=semget(ftok(".",'a'),1,0666);if(semid==-1){perror("Producer isn't exist");exit(1);}/*获得共享内存*/shmid=shmget(ftok(".",'c'),sizeof(struct shm_buff),0666|IPC_CREAT);if(shmid==-1){perror("shmget");exit(1);}/*将共享内存地址映射到当前进程地址空间*/shared_memory=shmat(shmid,0,0);if(shared_memory==(void *)-1){perror("shmat");exit(1);}printf("Memory attached at %p\n",shared_memory);/*获得共享内存的映射地址*/shm_buff_inst=(struct shm_buff *)shared_memory;do{sem_p(semid);printf("Shared memory was written by process %d : %s",shm_buff_inst->pid,shm_buff_inst->buffer);if(strncmp(shm_buff_inst->buffer,"quit",4)==0){perror("strncmp");exit(1);}shm_buff_inst->pid=0;memset(shm_buff_inst->buffer,0,SHM_BUFF_SZ);sem_v(semid);}while(1);/*删除共享内存到当前进程地址空间中的映射*/if(shmdt(shared_memory)==-1){perror("shmdt");exit(1);}/*删除共享内存*/if(shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL)==-1){perror("shmctl");exit(1);}exit(0);}