進程間通信之： 共享內存
可以說，共享內存是一種最為高效的進程間通信方式。因為進程可以直接讀寫內存，不需要任何數(shù)據(jù)的復制。為了在多個進程間交換信息，內核專門留出了一塊內存區(qū)。這段內存區(qū)可以由需要訪問的進程將其映射到自己的私有地址空間。因此，進程就可以直接讀寫這一內存區(qū)而不需要進行數(shù)據(jù)的復制，從而大大提高了效率。當然，由于多個進程共享一段內存，因此也需要依靠某種同步機制，如互斥鎖和信號量等（請參考本章的共享內存實驗）。其原理示意圖如圖8.8所示。
圖8.8共享內存原理示意圖
8.5.2共享內存的應用1．函數(shù)說明共享內存的實現(xiàn)分為兩個步驟，第一步是創(chuàng)建共享內存，這里用到的函數(shù)是shmget()，也就是從內存中獲得一段共享內存區(qū)域，第二步映射共享內存，也就是把這段創(chuàng)建的共享內存映射到具體的進程空間中，這里使用的函數(shù)是shmat()。到這里，就可以使用這段共享內存了，也就是可以使用不帶緩沖的I/O讀寫命令對其進行操作。除此之外，當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個函數(shù)。
2．函數(shù)格式表8.20列舉了shmget()函數(shù)的語法要點。
表8.20 shmget()函數(shù)語法要點
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：共享內存的鍵值，多個進程可以通過它訪問同一個共享內存，其中有個特殊值IPC_PRIVATE。它用于創(chuàng)建當前進程的私有共享內存
size：共享內存區(qū)大小
shmflg：同open()函數(shù)的權限位，也可以用八進制表示法
函數(shù)返回值
成功：共享內存段標識符
出錯：-1
表8.21列舉了shmat()函數(shù)的語法要點。
表8.21 shmat()函數(shù)語法要點
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：要映射的共享內存區(qū)標識符
shmaddr：將共享內存映射到指定地址（若為0則表示系統(tǒng)自動分配地址并把該段共享內存映射到調用進程的地址空間）
shmflg
SHM_RDONLY：共享內存只讀
默認0：共享內存可讀寫
函數(shù)返回值
成功：被映射的段地址
出錯：-1
表8.22列舉了shmdt()函數(shù)的語法要點。
表8.22 shmdt()函數(shù)語法要點
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：被映射的共享內存段地址
函數(shù)返回值
成功：0
出錯：-1
3．使用實例該實例說明如何使用基本的共享內存函數(shù)。首先是創(chuàng)建一個共享內存區(qū)（采用的共享內存的鍵值為IPC_PRIVATE，是因為本實例中創(chuàng)建的共享內存是父子進程之間的共用部分），之后創(chuàng)建子進程，在父子兩個進程中將共享內存分別映射到各自的進程地址空間之中。
父進程先等待用戶輸入，然后將用戶輸入的字符串寫入到共享內存，之后往共享內存的頭部寫入“WROTE”字符串表示父進程已成功寫入數(shù)據(jù)。子進程一直等到共享內存的頭部字符串為“WROTE”，然后將共享內存的有效數(shù)據(jù)（在父進程中用戶輸入的字符串）在屏幕上打印。父子兩個進程在完成以上工作之后，分別解除與共享內存的映射關系。
最后在子進程中刪除共享內存。因為共享內存自身并不提供同步機制，所以應該額外實現(xiàn)不同進程之間的同步（例如：信號量）。為了簡單起見，在本實例中用標志字符串來實現(xiàn)非常簡單的父子進程之間的同步。
這里要介紹的一個命令是ipcs，這是用于報告進程間通信機制狀態(tài)的命令。它可以查看共享內存、消息隊列等各種進程間通信機制的情況，這里使用了system()函數(shù)用于調用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);
}
/*顯示共享內存情況*/
system("ipcs-m");
pid=fork();
if(pid==-1)
{
perror("fork");
exit(1);
}
elseif(pid==0)/*子進程處理*/
{
/*映射共享內存*/
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");
/*通過檢查在共享內存的頭部是否標志字符串"WROTE"來確認
父進程已經(jīng)向共享內存寫入有效數(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/*父進程處理*/
{
/*映射共享內存*/
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);
}
下面是運行結果。從該結果可以看出，nattch的值隨著共享內存狀態(tài)的變化而變化，共享內存的值根據(jù)不同的系統(tǒng)會有所不同。
$./shmem
Createshared-memory:753665
/*在剛創(chuàng)建共享內存時（尚未有任何地址映射）共享內存的情況*/
------SharedMemorySegments--------
keyshmidownerpermsbytesnattchstatus
0x00000000753665david66620480
Child:Attachshared-memory:0xb7f59000/*共享內存的映射地址*/
Parent:Attachshared-memory:0xb7f59000
/*在父子進程中進行共享內存的地址映射之后共享內存的情況*/
------SharedMemorySegments--------
keyshmidownerpermsbytesnattchstatus
0x00000000753665david66620482
Child:Waitforenabledata...
Inputsomestring:
Hello/*用戶輸入字符串“Hello”*/
Parent:Deattachshared-memory
/*在父進程中解除共享內存的映射關系之后共享內存的情況*/
------SharedMemorySegments--------
keyshmidownerpermsbytesnattchstatus
0x00000000753665david66620481
/*在子進程中讀取共享內存的有效數(shù)據(jù)并打印*/
Child:Shared-memory:hello
Child:Deattachshared-memory
/*在子進程中解除共享內存的映射關系之后共享內存的情況*/
------SharedMemorySegments--------
keyshmidownerpermsbytesnattchstatus
0x00000000753665david66620480
Deleteshared-memory
/*在刪除共享內存之后共享內存的情況*/
------SharedMemorySegments--------
keyshmidownerpermsbytesnattchstatus
Finished
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