Linux進程間通信——使用共享內(nèi)存
下面將講解進程間通信的另一種方式，使用共享內(nèi)存。
一、什么是共享內(nèi)存
顧名思義，共享內(nèi)存就是允許兩個不相關的進程訪問同一個邏輯內(nèi)存。共享內(nèi)存是在兩個正在運行的進程之間共享和傳遞數(shù)據(jù)的一種非常有效的方式。不同進程之間共享的內(nèi)存通常安排為同一段物理內(nèi)存。進程可以將同一段共享內(nèi)存連接到它們自己的地址空間中，所有進程都可以訪問共享內(nèi)存中的地址，就好像它們是由用C語言函數(shù)malloc分配的內(nèi)存一樣。而如果某個進程向共享內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)，所做的改動將立即影響到可以訪問同一段共享內(nèi)存的任何其他進程。
特別提醒：共享內(nèi)存并未提供同步機制，也就是說，在***個進程結(jié)束對共享內(nèi)存的寫操作之前，并無自動機制可以阻止第二個進程開始對它進行讀取。所以我們通常需要用其他的機制來同步對共享內(nèi)存的訪問，例如前面說到的信號量。有關信號量的更多內(nèi)容，可以查閱我的另一篇文章：Linux進程間通信——使用信號量
二、共享內(nèi)存的使得
與信號量一樣，在Linux中也提供了一組函數(shù)接口用于使用共享內(nèi)存，而且使用共享共存的接口還與信號量的非常相似，而且比使用信號量的接口來得簡單。它們聲明在頭文件 sys/shm.h中。
1、shmget函數(shù)
該函數(shù)用來創(chuàng)建共享內(nèi)存，它的原型為：
- [cpp] view plain copy
- int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
***個參數(shù)，與信號量的semget函數(shù)一樣，程序需要提供一個參數(shù)key（非0整數(shù)），它有效地為共享內(nèi)存段命名，shmget函數(shù)成功時返回一個與key相關的共享內(nèi)存標識符（非負整數(shù)），用于后續(xù)的共享內(nèi)存函數(shù)。調(diào)用失敗返回-1.
不相關的進程可以通過該函數(shù)的返回值訪問同一共享內(nèi)存，它代表程序可能要使用的某個資源，程序?qū)λ泄蚕韮?nèi)存的訪問都是間接的，程序先通過調(diào)用shmget函數(shù)并提供一個鍵，再由系統(tǒng)生成一個相應的共享內(nèi)存標識符（shmget函數(shù)的返回值），只有shmget函數(shù)才直接使用信號量鍵，所有其他的信號量函數(shù)使用由semget函數(shù)返回的信號量標識符。
第二個參數(shù)，size以字節(jié)為單位指定需要共享的內(nèi)存容量
第三個參數(shù)，shmflg是權(quán)限標志，它的作用與open函數(shù)的mode參數(shù)一樣，如果要想在key標識的共享內(nèi)存不存在時，創(chuàng)建它的話，可以與IPC_CREAT做或操作。共享內(nèi)存的權(quán)限標志與文件的讀寫權(quán)限一樣，舉例來說，0644,它表示允許一個進程創(chuàng)建的共享內(nèi)存被內(nèi)存創(chuàng)建者所擁有的進程向共享內(nèi)存讀取和寫入數(shù)據(jù)，同時其他用戶創(chuàng)建的進程只能讀取共享內(nèi)存。
2、shmat函數(shù)
***次創(chuàng)建完共享內(nèi)存時，它還不能被任何進程訪問，shmat函數(shù)的作用就是用來啟動對該共享內(nèi)存的訪問，并把共享內(nèi)存連接到當前進程的地址空間。它的原型如下：
- [cpp] view plain copy
- void *shmat(int shm_id, const void *shm_addr, int shmflg);
***個參數(shù)，shm_id是由shmget函數(shù)返回的共享內(nèi)存標識。
第二個參數(shù)，shm_addr指定共享內(nèi)存連接到當前進程中的地址位置，通常為空，表示讓系統(tǒng)來選擇共享內(nèi)存的地址。
第三個參數(shù)，shm_flg是一組標志位，通常為0。
調(diào)用成功時返回一個指向共享內(nèi)存***個字節(jié)的指針，如果調(diào)用失敗返回-1.
3、shmdt函數(shù)
該函數(shù)用于將共享內(nèi)存從當前進程中分離。注意，將共享內(nèi)存分離并不是刪除它，只是使該共享內(nèi)存對當前進程不再可用。它的原型如下：
- [cpp] view plain copy
- int shmdt(const void *shmaddr);
參數(shù)shmaddr是shmat函數(shù)返回的地址指針，調(diào)用成功時返回0，失敗時返回-1.
4、shmctl函數(shù)
與信號量的semctl函數(shù)一樣，用來控制共享內(nèi)存，它的原型如下：
- [cpp] view plain copy
- int shmctl(int shm_id, int command, struct shmid_ds *buf);
***個參數(shù)，shm_id是shmget函數(shù)返回的共享內(nèi)存標識符。
第二個參數(shù)，command是要采取的操作，它可以取下面的三個值 ：
- IPC_STAT：把shmid_ds結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)設置為共享內(nèi)存的當前關聯(lián)值，即用共享內(nèi)存的當前關聯(lián)值覆蓋shmid_ds的值。
- IPC_SET：如果進程有足夠的權(quán)限，就把共享內(nèi)存的當前關聯(lián)值設置為shmid_ds結(jié)構(gòu)中給出的值
- IPC_RMID：刪除共享內(nèi)存段
第三個參數(shù)，buf是一個結(jié)構(gòu)指針，它指向共享內(nèi)存模式和訪問權(quán)限的結(jié)構(gòu)。
shmid_ds結(jié)構(gòu)至少包括以下成員：
- [cpp] view plain copy
- struct shmid_ds
- {
- uid_t shm_perm.uid;
- uid_t shm_perm.gid;
- mode_t shm_perm.mode;
- };
三、使用共享內(nèi)存進行進程間通信
說了這么多，又到了實戰(zhàn)的時候了。下面就以兩個不相關的進程來說明進程間如何通過共享內(nèi)存來進行通信。其中一個文件shmread.c創(chuàng)建共享內(nèi)存，并讀取其中的信息，另一個文件shmwrite.c向共享內(nèi)存中寫入數(shù)據(jù)。為了方便操作和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一，為這兩個文件定義了相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，定義在文件shmdata.c中。結(jié)構(gòu)shared_use_st中的written作為一個可讀或可寫的標志，非0：表示可讀，0表示可寫，text則是內(nèi)存中的文件。
shmdata.h的源代碼如下：
- [cpp] view plain copy
- #ifndef _SHMDATA_H_HEADER
- #define _SHMDATA_H_HEADER
- #define TEXT_SZ 2048
- struct shared_use_st
- {
- int written;//作為一個標志，非0：表示可讀，0表示可寫
- char text[TEXT_SZ];//記錄寫入和讀取的文本
- };
- #endif
源文件shmread.c的源代碼如下：
- [cpp] view plain copy
- #include <unistd.h>
- #include <stdlib.h>
- #include <stdio.h>
- #include <sys/shm.h>
- #include "shmdata.h"
- int main()
- {
- int running = 1;//程序是否繼續(xù)運行的標志
- void *shm = NULL;//分配的共享內(nèi)存的原始首地址
- struct shared_use_st *shared;//指向shm
- int shmid;//共享內(nèi)存標識符
- //創(chuàng)建共享內(nèi)存
- shmid = shmget((key_t)1234, sizeof(struct shared_use_st), 0666|IPC_CREAT);
- if(shmid == -1)
- {
- fprintf(stderr, "shmget failed\n");
- exit(EXIT_FAILURE);
- }
- //將共享內(nèi)存連接到當前進程的地址空間
- shm = shmat(shmid, 0, 0);
- if(shm == (void*)-1)
- {
- fprintf(stderr, "shmat failed\n");
- exit(EXIT_FAILURE);
- }
- printf("\nMemory attached at %X\n", (int)shm);
- //設置共享內(nèi)存
- shared = (struct shared_use_st*)shm;
- shared->written = 0;
- while(running)//讀取共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)
- {
- //沒有進程向共享內(nèi)存定數(shù)據(jù)有數(shù)據(jù)可讀取
- if(shared->written != 0)
- {
- printf("You wrote: %s", shared->text);
- sleep(rand() % 3);
- //讀取完數(shù)據(jù)，設置written使共享內(nèi)存段可寫
- shared->written = 0;
- //輸入了end，退出循環(huán)（程序）
- if(strncmp(shared->text, "end", 3) == 0)
- running = 0;
- }
- else//有其他進程在寫數(shù)據(jù)，不能讀取數(shù)據(jù)
- sleep(1);
- }
- //把共享內(nèi)存從當前進程中分離
- if(shmdt(shm) == -1)
- {
- fprintf(stderr, "shmdt failed\n");
- exit(EXIT_FAILURE);
- }
- //刪除共享內(nèi)存
- if(shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1)
- {
- fprintf(stderr, "shmctl(IPC_RMID) failed\n");
- exit(EXIT_FAILURE);
- }
- exit(EXIT_SUCCESS);
- }
源文件shmwrite.c的源代碼如下：
- [cpp] view plain copy
- #include <unistd.h>
- #include <stdlib.h>
- #include <stdio.h>
- #include <string.h>
- #include <sys/shm.h>
- #include "shmdata.h"
- int main()
- {
- int running = 1;
- void *shm = NULL;
- struct shared_use_st *shared = NULL;
- char buffer[BUFSIZ + 1];//用于保存輸入的文本
- int shmid;
- //創(chuàng)建共享內(nèi)存
- shmid = shmget((key_t)1234, sizeof(struct shared_use_st), 0666|IPC_CREAT);
- if(shmid == -1)
- {
- fprintf(stderr, "shmget failed\n");
- exit(EXIT_FAILURE);
- }
- //將共享內(nèi)存連接到當前進程的地址空間
- shm = shmat(shmid, (void*)0, 0);
- if(shm == (void*)-1)
- {
- fprintf(stderr, "shmat failed\n");
- exit(EXIT_FAILURE);
- }
- printf("Memory attached at %X\n", (int)shm);
- //設置共享內(nèi)存
- shared = (struct shared_use_st*)shm;
- while(running)//向共享內(nèi)存中寫數(shù)據(jù)
- {
- //數(shù)據(jù)還沒有被讀取，則等待數(shù)據(jù)被讀取,不能向共享內(nèi)存中寫入文本
- while(shared->written == 1)
- {
- sleep(1);
- printf("Waiting...\n");
- }
- //向共享內(nèi)存中寫入數(shù)據(jù)
- printf("Enter some text: ");
- fgets(buffer, BUFSIZ, stdin);
- strncpy(shared->text, buffer, TEXT_SZ);
- //寫完數(shù)據(jù)，設置written使共享內(nèi)存段可讀
- shared->written = 1;
- //輸入了end，退出循環(huán)（程序）
- if(strncmp(buffer, "end", 3) == 0)
- running = 0;
- }
- //把共享內(nèi)存從當前進程中分離
- if(shmdt(shm) == -1)
- {
- fprintf(stderr, "shmdt failed\n");
- exit(EXIT_FAILURE);
- }
- sleep(2);
- exit(EXIT_SUCCESS);
- }
再來看看運行的結(jié)果：
分析：
1、程序shmread創(chuàng)建共享內(nèi)存，然后將它連接到自己的地址空間。在共享內(nèi)存的開始處使用了一個結(jié)構(gòu)struct_use_st。該結(jié)構(gòu)中有個標志written，當共享內(nèi)存中有其他進程向它寫入數(shù)據(jù)時，共享內(nèi)存中的written被設置為0，程序等待。當它不為0時，表示沒有進程對共享內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)，程序就從共享內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)并輸出，然后重置設置共享內(nèi)存中的written為0，即讓其可被shmwrite進程寫入數(shù)據(jù)。
2、程序shmwrite取得共享內(nèi)存并連接到自己的地址空間中。檢查共享內(nèi)存中的written，是否為0，若不是，表示共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)還沒有被完，則等待其他進程讀取完成，并提示用戶等待。若共享內(nèi)存的written為0，表示沒有其他進程對共享內(nèi)存進行讀取，則提示用戶輸入文本，并再次設置共享內(nèi)存中的written為1，表示寫完成，其他進程可對共享內(nèi)存進行讀操作。
四、關于前面的例子的安全性討論
這個程序是不安全的，當有多個程序同時向共享內(nèi)存中讀寫數(shù)據(jù)時，問題就會出現(xiàn)。可能你會認為，可以改變一下written的使用方式，例如，只有當written為0時進程才可以向共享內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)，而當一個進程只有在written不為0時才能對其進行讀取，同時把written進行加1操作，讀取完后進行減1操作。這就有點像文件鎖中的讀寫鎖的功能。咋看之下，它似乎能行得通。但是這都不是原子操作，所以這種做法是行不能的。試想當written為0時，如果有兩個進程同時訪問共享內(nèi)存，它們就會發(fā)現(xiàn)written為0，于是兩個進程都對其進行寫操作，顯然不行。當written為1時，有兩個進程同時對共享內(nèi)存進行讀操作時也是如些，當這兩個進程都讀取完是，written就變成了-1。
要想讓程序安全地執(zhí)行，就要有一種進程同步的進制，保證在進入臨界區(qū)的操作是原子操作。例如，可以使用前面所講的信號量來進行進程的同步。因為信號量的操作都是原子性的。
五、使用共享內(nèi)存的優(yōu)缺點
1、優(yōu)點：我們可以看到使用共享內(nèi)存進行進程間的通信真的是非常方便，而且函數(shù)的接口也簡單，數(shù)據(jù)的共享還使進程間的數(shù)據(jù)不用傳送，而是直接訪問內(nèi)存，也加快了程序的效率。同時，它也不像匿名管道那樣要求通信的進程有一定的父子關系。
2、缺點：共享內(nèi)存沒有提供同步的機制，這使得我們在使用共享內(nèi)存進行進程間通信時，往往要借助其他的手段來進行進程間的同步工作。
