進(jìn)程間通信之： 共享內(nèi)存

可以說，共享內(nèi)存是一種最為高效的進(jìn)程間通信方式。因?yàn)檫M(jìn)程可以直接讀寫內(nèi)存，不需要任何數(shù)據(jù)的復(fù)制。為了在多個(gè)進(jìn)程間交換信息，內(nèi)核專門留出了一塊內(nèi)存區(qū)。這段內(nèi)存區(qū)可以由需要訪問的進(jìn)程將其映射到自己的私有地址空間。因此，進(jìn)程就可以直接讀寫這一內(nèi)存區(qū)而不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的復(fù)制，從而大大提高了效率。當(dāng)然，由于多個(gè)進(jìn)程共享一段內(nèi)存，因此也需要依靠某種同步機(jī)制，如互斥鎖和信號(hào)量等（請(qǐng)參考本章的共享內(nèi)存實(shí)驗(yàn)）。其原理示意圖如圖8.8所示。

圖8.8共享內(nèi)存原理示意圖

共享內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)分為兩個(gè)步驟，第一步是創(chuàng)建共享內(nèi)存，這里用到的函數(shù)是shmget()，也就是從內(nèi)存中獲得一段共享內(nèi)存區(qū)域，第二步映射共享內(nèi)存，也就是把這段創(chuàng)建的共享內(nèi)存映射到具體的進(jìn)程空間中，這里使用的函數(shù)是shmat()。到這里，就可以使用這段共享內(nèi)存了，也就是可以使用不帶緩沖的I/O讀寫命令對(duì)其進(jìn)行操作。除此之外，當(dāng)然還有撤銷映射的操作，其函數(shù)為shmdt()。這里就主要介紹這3個(gè)函數(shù)。

表8.20列舉了shmget()函數(shù)的語法要點(diǎn)。

表8.20 shmget()函數(shù)語法要點(diǎn)

所需頭文件

#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>

函數(shù)原型

intshmget(key_tkey,intsize,intshmflg)

函數(shù)傳入值

key：共享內(nèi)存的鍵值，多個(gè)進(jìn)程可以通過它訪問同一個(gè)共享內(nèi)存，其中有個(gè)特殊值IPC_PRIVATE。它用于創(chuàng)建當(dāng)前進(jìn)程的私有共享內(nèi)存

size：共享內(nèi)存區(qū)大小

shmflg：同open()函數(shù)的權(quán)限位，也可以用八進(jìn)制表示法

函數(shù)返回值

成功：共享內(nèi)存段標(biāo)識(shí)符

出錯(cuò)：-1

表8.21列舉了shmat()函數(shù)的語法要點(diǎn)。

表8.21 shmat()函數(shù)語法要點(diǎn)

所需頭文件

#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>

函數(shù)原型

char*shmat(intshmid,constvoid*shmaddr,intshmflg)

函數(shù)傳入值

shmid：要映射的共享內(nèi)存區(qū)標(biāo)識(shí)符

shmaddr：將共享內(nèi)存映射到指定地址（若為0則表示系統(tǒng)自動(dòng)分配地址并把該段共享內(nèi)存映射到調(diào)用進(jìn)程的地址空間）

shmflg

SHM_RDONLY：共享內(nèi)存只讀

默認(rèn)0：共享內(nèi)存可讀寫

函數(shù)返回值

成功：被映射的段地址

出錯(cuò)：-1

表8.22列舉了shmdt()函數(shù)的語法要點(diǎn)。

表8.22 shmdt()函數(shù)語法要點(diǎn)

所需頭文件

#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>

函數(shù)原型

intshmdt(constvoid*shmaddr)

函數(shù)傳入值

shmaddr：被映射的共享內(nèi)存段地址

函數(shù)返回值

成功：0

出錯(cuò)：-1

該實(shí)例說明如何使用基本的共享內(nèi)存函數(shù)。首先是創(chuàng)建一個(gè)共享內(nèi)存區(qū)（采用的共享內(nèi)存的鍵值為IPC_PRIVATE，是因?yàn)楸緦?shí)例中創(chuàng)建的共享內(nèi)存是父子進(jìn)程之間的共用部分），之后創(chuàng)建子進(jìn)程，在父子兩個(gè)進(jìn)程中將共享內(nèi)存分別映射到各自的進(jìn)程地址空間之中。

父進(jìn)程先等待用戶輸入，然后將用戶輸入的字符串寫入到共享內(nèi)存，之后往共享內(nèi)存的頭部寫入“WROTE”字符串表示父進(jìn)程已成功寫入數(shù)據(jù)。子進(jìn)程一直等到共享內(nèi)存的頭部字符串為“WROTE”，然后將共享內(nèi)存的有效數(shù)據(jù)（在父進(jìn)程中用戶輸入的字符串）在屏幕上打印。父子兩個(gè)進(jìn)程在完成以上工作之后，分別解除與共享內(nèi)存的映射關(guān)系。

最后在子進(jìn)程中刪除共享內(nèi)存。因?yàn)楣蚕韮?nèi)存自身并不提供同步機(jī)制，所以應(yīng)該額外實(shí)現(xiàn)不同進(jìn)程之間的同步（例如：信號(hào)量）。為了簡(jiǎn)單起見，在本實(shí)例中用標(biāo)志字符串來實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單的父子進(jìn)程之間的同步。

這里要介紹的一個(gè)命令是ipcs，這是用于報(bào)告進(jìn)程間通信機(jī)制狀態(tài)的命令。它可以查看共享內(nèi)存、消息隊(duì)列等各種進(jìn)程間通信機(jī)制的情況，這里使用了system()函數(shù)用于調(diào)用shell命令“ipcs”。程序源代碼如下所示：

/*shmem.c*/

#include<sys/types.h>

#include<sys/ipc.h>

#include<sys/shm.h>

#include<stdio.h>

#include<stdlib.h>

#include<string.h>

#defineBUFFER_SIZE2048

intmain()

{

pid_tpid;

intshmid;

char*shm_addr;

charflag[]="WROTE";

char*buff;

/*創(chuàng)建共享內(nèi)存*/

if((shmid=shmget(IPC_PRIVATE,BUFFER_SIZE,0666))<0)

{

perror("shmget");

exit(1);

}

else

{

printf("Createshared-memory:%dn",shmid);

}

/*顯示共享內(nèi)存情況*/

system("ipcs-m");

pid=fork();

if(pid==-1)

{

perror("fork");

exit(1);

}

elseif(pid==0)/*子進(jìn)程處理*/

{

/*映射共享內(nèi)存*/

if((shm_addr=shmat(shmid,0,0))==(void*)-1)

{

perror("Child:shmat");

exit(1);

}

else

{

printf("Child:Attachshared-memory:%pn",shm_addr);

}

system("ipcs-m");

/*通過檢查在共享內(nèi)存的頭部是否標(biāo)志字符串"WROTE"來確認(rèn)

父進(jìn)程已經(jīng)向共享內(nèi)存寫入有效數(shù)據(jù)*/

while(strncmp(shm_addr,flag,strlen(flag)))

{

printf("Child:Waitforenabledata...n");

sleep(5);

}

/*獲取共享內(nèi)存的有效數(shù)據(jù)并顯示*/

strcpy(buff,shm_addr+strlen(flag));

printf("Child:Shared-memory:%sn",buff);

/*解除共享內(nèi)存映射*/

if((shmdt(shm_addr))<0)

{

perror("shmdt");

exit(1);

}

else

{

printf("Child:Deattachshared-memoryn");

}

system("ipcs-m");

/*刪除共享內(nèi)存*/

if(shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL)==-1)

{

perror("Child:shmctl(IPC_RMID)n");

exit(1);

}

else

{

printf("Deleteshared-memoryn");

}

system("ipcs-m");

}

else/*父進(jìn)程處理*/

{

/*映射共享內(nèi)存*/

if((shm_addr=shmat(shmid,0,0))==(void*)-1)

{

perror("Parent:shmat");

exit(1);

}

else

{

printf("Parent:Attachshared-memory:%pn",shm_addr);

}

sleep(1);

printf("nInputsomestring:n");

fgets(buff,BUFFER_SIZE,stdin);

strncpy(shm_addr+strlen(flag),buff,strlen(buff));

strncpy(shm_addr,flag,strlen(flag));

/*解除共享內(nèi)存映射*/

if((shmdt(shm_addr))<0)

{

perror("Parent:shmdt");

exit(1);

}

else

{

printf("Parent:Deattachshared-memoryn");

}

system("ipcs-m");

waitpid(pid,NULL,0);

printf("Finishedn");

}

exit(0);

}

下面是運(yùn)行結(jié)果。從該結(jié)果可以看出，nattch的值隨著共享內(nèi)存狀態(tài)的變化而變化，共享內(nèi)存的值根據(jù)不同的系統(tǒng)會(huì)有所不同。

$./shmem

Createshared-memory:753665

/*在剛創(chuàng)建共享內(nèi)存時(shí)（尚未有任何地址映射）共享內(nèi)存的情況*/

------SharedMemorySegments--------

keyshmidownerpermsbytesnattchstatus

0x00000000753665david66620480

Child:Attachshared-memory:0xb7f59000/*共享內(nèi)存的映射地址*/

Parent:Attachshared-memory:0xb7f59000

/*在父子進(jìn)程中進(jìn)行共享內(nèi)存的地址映射之后共享內(nèi)存的情況*/

------SharedMemorySegments--------

keyshmidownerpermsbytesnattchstatus

0x00000000753665david66620482

Child:Waitforenabledata...

Inputsomestring:

Hello/*用戶輸入字符串“Hello”*/

Parent:Deattachshared-memory

/*在父進(jìn)程中解除共享內(nèi)存的映射關(guān)系之后共享內(nèi)存的情況*/

------SharedMemorySegments--------

keyshmidownerpermsbytesnattchstatus

0x00000000753665david66620481

/*在子進(jìn)程中讀取共享內(nèi)存的有效數(shù)據(jù)并打印*/

Child:Shared-memory:hello

Child:Deattachshared-memory

/*在子進(jìn)程中解除共享內(nèi)存的映射關(guān)系之后共享內(nèi)存的情況*/

------SharedMemorySegments--------

keyshmidownerpermsbytesnattchstatus

0x00000000753665david66620480

Deleteshared-memory

/*在刪除共享內(nèi)存之后共享內(nèi)存的情況*/

------SharedMemorySegments--------

keyshmidownerpermsbytesnattchstatus

Finished