Linux進(jìn)程間通信——使用共享內(nèi)存
下面將講解進(jìn)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(gè)不相關(guān)的進(jìn)程訪問(wèn)同一個(gè)邏輯內(nèi)存。共享內(nèi)存是在兩個(gè)正在運(yùn)行的進(jìn)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(jìn)程之間共享的內(nèi)存通常安排為同一段物理內(nèi)存。進(jìn)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(jìn)程都可以訪問(wèn)共享內(nèi)存中的地址，就好像它們是由用C語(yǔ)言函數(shù)malloc分配的內(nèi)存一樣。而如果某個(gè)進(jìn)程向共享內(nèi)存寫(xiě)入數(shù)據(jù)，所做的改動(dòng)將立即影響到可以訪問(wèn)同一段共享內(nèi)存的任何其他進(jìn)程。
特別提醒：共享內(nèi)存并未提供同步機(jī)制，也就是說(shuō)，在***個(gè)進(jìn)程結(jié)束對(duì)共享內(nèi)存的寫(xiě)操作之前，并無(wú)自動(dòng)機(jī)制可以阻止第二個(gè)進(jìn)程開(kāi)始對(duì)它進(jìn)行讀取。所以我們通常需要用其他的機(jī)制來(lái)同步對(duì)共享內(nèi)存的訪問(wèn)，例如前面說(shuō)到的信號(hào)量。有關(guān)信號(hào)量的更多內(nèi)容，可以查閱我的另一篇文章：Linux進(jìn)程間通信——使用信號(hào)量
二、共享內(nèi)存的使得
與信號(hào)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(hào)量的非常相似，而且比使用信號(hào)量的接口來(lái)得簡(jiǎn)單。它們聲明在頭文件 sys/shm.h中。
1、shmget函數(shù)
該函數(shù)用來(lái)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(gè)參數(shù)，與信號(hào)量的semget函數(shù)一樣，程序需要提供一個(gè)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(shí)返回一個(gè)與key相關(guān)的共享內(nèi)存標(biāo)識(shí)符（非負(fù)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(guān)的進(jìn)程可以通過(guò)該函數(shù)的返回值訪問(wèn)同一共享內(nèi)存，它代表程序可能要使用的某個(gè)資源，程序?qū)λ泄蚕韮?nèi)存的訪問(wèn)都是間接的，程序先通過(guò)調(diào)用shmget函數(shù)并提供一個(gè)鍵，再由系統(tǒng)生成一個(gè)相應(yīng)的共享內(nèi)存標(biāo)識(shí)符（shmget函數(shù)的返回值），只有shmget函數(shù)才直接使用信號(hào)量鍵，所有其他的信號(hào)量函數(shù)使用由semget函數(shù)返回的信號(hào)量標(biāo)識(shí)符。
第二個(gè)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(gè)參數(shù)，shmflg是權(quán)限標(biāo)志，它的作用與open函數(shù)的mode參數(shù)一樣，如果要想在key標(biāo)識(shí)的共享內(nèi)存不存在時(shí)，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(biāo)志與文件的讀寫(xiě)權(quán)限一樣，舉例來(lái)說(shuō)，0644,它表示允許一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建的共享內(nèi)存被內(nèi)存創(chuàng)建者所擁有的進(jìn)程向共享內(nèi)存讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)，同時(shí)其他用戶創(chuàng)建的進(jìn)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(shí)，它還不能被任何進(jìn)程訪問(wèn)，shmat函數(shù)的作用就是用來(lái)啟動(dòng)對(duì)該共享內(nèi)存的訪問(wèn)，并把共享內(nèi)存連接到當(dāng)前進(jìn)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(gè)參數(shù)，shm_id是由shmget函數(shù)返回的共享內(nèi)存標(biāo)識(shí)。
第二個(gè)參數(shù)，shm_addr指定共享內(nèi)存連接到當(dāng)前進(jìn)程中的地址位置，通常為空，表示讓系統(tǒng)來(lái)選擇共享內(nèi)存的地址。
第三個(gè)參數(shù)，shm_flg是一組標(biāo)志位，通常為0。
調(diào)用成功時(shí)返回一個(gè)指向共享內(nèi)存***個(gè)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(dāng)前進(jìn)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(duì)當(dāng)前進(jìn)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(shí)返回0，失敗時(shí)返回-1.
4、shmctl函數(shù)
與信號(hào)量的semctl函數(shù)一樣，用來(lái)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(gè)參數(shù)，shm_id是shmget函數(shù)返回的共享內(nèi)存標(biāo)識(shí)符。
第二個(gè)參數(shù)，command是要采取的操作，它可以取下面的三個(gè)值 ：
- IPC_STAT：把shmid_ds結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)設(shè)置為共享內(nèi)存的當(dāng)前關(guān)聯(lián)值，即用共享內(nèi)存的當(dāng)前關(guān)聯(lián)值覆蓋shmid_ds的值。
- IPC_SET：如果進(jìn)程有足夠的權(quán)限，就把共享內(nèi)存的當(dāng)前關(guān)聯(lián)值設(shè)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(gè)參數(shù)，buf是一個(gè)結(jié)構(gòu)指針，它指向共享內(nèi)存模式和訪問(wèn)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(jìn)行進(jìn)程間通信
說(shuō)了這么多，又到了實(shí)戰(zhàn)的時(shí)候了。下面就以兩個(gè)不相關(guān)的進(jìn)程來(lái)說(shuō)明進(jìn)程間如何通過(guò)共享內(nèi)存來(lái)進(jìn)行通信。其中一個(gè)文件shmread.c創(chuàng)建共享內(nèi)存，并讀取其中的信息，另一個(gè)文件shmwrite.c向共享內(nèi)存中寫(xiě)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(gè)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(gè)可讀或可寫(xiě)的標(biāo)志，非0：表示可讀，0表示可寫(xiě)，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(gè)標(biāo)志，非0：表示可讀，0表示可寫(xiě)
- char text[TEXT_SZ];//記錄寫(xiě)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(yùn)行的標(biāo)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(biāo)識(shí)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(dāng)前進(jìn)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(shè)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(méi)有進(jìn)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(shè)置written使共享內(nèi)存段可寫(xiě)
- 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(jìn)程在寫(xiě)數(shù)據(jù)，不能讀取數(shù)據(jù)
- sleep(1);
- }
- //把共享內(nèi)存從當(dāng)前進(jìn)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(dāng)前進(jìn)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(shè)置共享內(nèi)存
- shared = (struct shared_use_st*)shm;
- while(running)//向共享內(nèi)存中寫(xiě)數(shù)據(jù)
- {
- //數(shù)據(jù)還沒(méi)有被讀取，則等待數(shù)據(jù)被讀取,不能向共享內(nèi)存中寫(xiě)入文本
- while(shared->written == 1)
- {
- sleep(1);
- printf("Waiting...\n");
- }
- //向共享內(nèi)存中寫(xiě)入數(shù)據(jù)
- printf("Enter some text: ");
- fgets(buffer, BUFSIZ, stdin);
- strncpy(shared->text, buffer, TEXT_SZ);
- //寫(xiě)完數(shù)據(jù)，設(shè)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(dāng)前進(jìn)程中分離
- if(shmdt(shm) == -1)
- {
- fprintf(stderr, "shmdt failed\n");
- exit(EXIT_FAILURE);
- }
- sleep(2);
- exit(EXIT_SUCCESS);
- }
再來(lái)看看運(yùn)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(kāi)始處使用了一個(gè)結(jié)構(gòu)struct_use_st。該結(jié)構(gòu)中有個(gè)標(biāo)志written，當(dāng)共享內(nèi)存中有其他進(jìn)程向它寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，共享內(nèi)存中的written被設(shè)置為0，程序等待。當(dāng)它不為0時(shí)，表示沒(méi)有進(jìn)程對(duì)共享內(nèi)存寫(xiě)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(shè)置共享內(nèi)存中的written為0，即讓其可被shmwrite進(jìn)程寫(xiě)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(méi)有被完，則等待其他進(jìn)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(méi)有其他進(jìn)程對(duì)共享內(nèi)存進(jìn)行讀取，則提示用戶輸入文本，并再次設(shè)置共享內(nèi)存中的written為1，表示寫(xiě)完成，其他進(jìn)程可對(duì)共享內(nèi)存進(jìn)行讀操作。
四、關(guān)于前面的例子的安全性討論
這個(gè)程序是不安全的，當(dāng)有多個(gè)程序同時(shí)向共享內(nèi)存中讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，問(wèn)題就會(huì)出現(xiàn)?？赡苣銜?huì)認(rèn)為，可以改變一下written的使用方式，例如，只有當(dāng)written為0時(shí)進(jìn)程才可以向共享內(nèi)存寫(xiě)入數(shù)據(jù)，而當(dāng)一個(gè)進(jìn)程只有在written不為0時(shí)才能對(duì)其進(jìn)行讀取，同時(shí)把written進(jìn)行加1操作，讀取完后進(jìn)行減1操作。這就有點(diǎn)像文件鎖中的讀寫(xiě)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(dāng)written為0時(shí)，如果有兩個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)共享內(nèi)存，它們就會(huì)發(fā)現(xiàn)written為0，于是兩個(gè)進(jìn)程都對(duì)其進(jìn)行寫(xiě)操作，顯然不行。當(dāng)written為1時(shí)，有兩個(gè)進(jìn)程同時(shí)對(duì)共享內(nèi)存進(jìn)行讀操作時(shí)也是如些，當(dāng)這兩個(gè)進(jìn)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(jìn)程同步的進(jìn)制，保證在進(jìn)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(hào)量來(lái)進(jìn)行進(jìn)程的同步。因?yàn)樾盘?hào)量的操作都是原子性的。
五、使用共享內(nèi)存的優(yōu)缺點(diǎn)
1、優(yōu)點(diǎn)：我們可以看到使用共享內(nèi)存進(jìn)行進(jìn)程間的通信真的是非常方便，而且函數(shù)的接口也簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)的共享還使進(jìn)程間的數(shù)據(jù)不用傳送，而是直接訪問(wèn)內(nèi)存，也加快了程序的效率。同時(shí)，它也不像匿名管道那樣要求通信的進(jìn)程有一定的父子關(guān)系。
2、缺點(diǎn)：共享內(nèi)存沒(méi)有提供同步的機(jī)制，這使得我們?cè)谑褂霉蚕韮?nèi)存進(jìn)行進(jìn)程間通信時(shí)，往往要借助其他的手段來(lái)進(jìn)行進(jìn)程間的同步工作。
