0. 前言
进程是一个独立的资源管理单元，不同进程间的资源是独立的，不能在一个进程中访问另一个进程的用户空间和内存空间。但是，进程不是孤立的，不同进程之间需要信息的交互和状态的传递，因此需要进程间数据的传递、同步和异步的机制。
当然，这些机制不能由哪一个进程进行直接管理，只能由操作系统来完成其管理和维护，Linux提供了大量的进程间通信机制，包括同一个主机下的不同进程和网络主机间的进程通信，如下图所示：
- 同主机间的信息交互：
- 无名管道：
特点：多用于亲缘关系进程间通信，方向为单向；为阻塞读写；通信进程双方退出后自动消失
问题：多进程用同一管道通信容易造成交叉读写的问题- 有名管道：
FIFO(First In First Out),方向为单向(双向需两个FIFO)，以磁盘文件的方式存在；通信双方一方不存在则阻塞- 消息队列：
可用于同主机任意多进程的通信，但其可存放的数据有限，应用于少量的数据传递- 共享内存：
可实现同主机任意进程间大量数据的通信，但多进程对共享内存的访问存在着竞争
- 同主机进程间同步机制：信号量(Semaphore)
- 同主机进程间异步机制：信号(Signal)
- 网络主机间数据交互：Socket(套接字)
1. 共享内存 - 概念
共享内存，主要是实现进程间大量数据的传输。所谓共享内存，即在内存中开辟一段特殊的内存空间，多个进程可互斥访问，该内存空间具有自身特有的数据结构。
共享内存的数据结构如下 - struct shmid_ds：
/* Come from /usr/include/linux/shm.h */
/* Obsolete, used only for backwards compatibility and libc5 compiles */
struct shmid_ds {
struct ipc_perm shm_perm; /* operation perms */
int shm_segsz; /* size of segment (bytes) */
__kernel_time_t shm_atime; /* last attach time */
__kernel_time_t shm_dtime; /* last detach time */
__kernel_time_t shm_ctime; /* last change time */
__kernel_ipc_pid_t shm_cpid; /* pid of creator */
__kernel_ipc_pid_t shm_lpid; /* pid of last operator */
unsigned short shm_nattch; /* no. of current attaches */
unsigned short shm_unused; /* compatibility */
void *shm_unused2; /* ditto - used by DIPC */
void *shm_unused3; /* unused */
};
多个进程在使用此共享内存空间时候，必须在进程地址空间与共享内存地址空间之间建立连接，即将共享内存空间挂载到进程中；
共享内存是由一个进程开辟，其它任何进程都可以挂载；
共享内存并不会随着进程的退出而消失，因此最后不使用此内存空间时，必须要手动删除。
2. 共享内存管理
1). 创建共享内存 - shmget
作用：
创建一个共享内存空间头文件：
#include <sys/shm.h>函数原型：
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg)参数：
- key:
ftok()的返回值- size: 想要创建的共享内存的大小 (字节)
- shmflg: 共享内存段的创建标识
Macro No. Description Head File IPC_CREAT 01000 若key内存段不存在，则创建；否则返回内存首地址 /usr/include/linux/ipc.h IPC_EXCL 02000 若key内存段存在，则返回错误 IPC_NOWAIT 04000 不等待直接返回 shm_r 0400 可读 /usr/include/linux/shm.h shm_w 0200 可写 /usr/include/linux/shm.h
- 返回值：
成功：共享内存空间的标志 shm_id
失败：-1
2). 共享内存控制 - shmctl
作用：
对共享内存进程操作，包括：读取/设置状态，删除操作头文件：
#include<sys/shm.h>函数原型：
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf)参数：
- shmid :
shmget()返回值- buf：临时共享内存变量信息
- cmd :
Macro No. Description Return IPC_RMID 0 删除 0 IPC_SET 1 设置 ipc_perm 参数 0 IPC_STAT 2 获取 ipc_perm 参数 IPC_INFO 3 若 ipcs命令SHM_LOCK 11 锁定共享内存段 0 SHM_UNLOCK 12 解锁共享内存段 0
- 返回值：
成功：
失败：-1
3). 共享内存映射 - shmat()
作用：
将共享内存空间挂载到进程中头文件：
#include <sys/shm.h>函数原型：
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg)参数：
- shmid :
shmget()返回值- shmaddr: 共享内存的映射地址，一般为0(由系统自动分配地址)
- shmflg : 访问权限和映射条件
Macro No. Descripton Remind - 0 默认有读写权限 常用 SHM_RDONLY 010000 只读 SHM_RDN 020000 Round attach address to SHMLBA boundary SHM_REMAP 040000 take-over region on attach
- 返回值：
成功：共享内存段首地址
失败：NULL / (void *)-1
4). 共享内存分离 - shmdt()
作用：
将进程与共享内存空间分离 (只是与共享内存不再有联系，并没有删除共享内存)头文件：
#include <sys/shm.h>函数原型：
int shmdt(const void *shmaddr)参数：
shmaddr：共享内存的首地址
- 返回值：
成功： 0
失败： -1
3. 示例代码：
两个进程通过共享内存传输数据，因共享内存不可同时读写，因此采用二元信号量进行进程互斥，具体操作如下：
- init: 设置信号量为0，此时只允许写入，不允许读取(因为共享内存没有数据);
- Sender: 在sem=0时，写入数据到共享内存(阻塞读);写入完成后，sem=1,此时可以读取，不可以写入；
- Receiver: 在sem=1时，读取数据；读取完成后，sem=0,此时只允许写入。
1- Sender.c
/*
* Filename: Sender.c
* Description:
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
key_t key;
int shm_id;
int sem_id;
int value = 0;
//1.Product the key
key = ftok(".", 0xFF);
//2. Creat semaphore for visit the shared memory
sem_id = semget(key, 1, IPC_CREAT|0644);
if(-1 == sem_id)
{
perror("semget");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//3. init the semaphore, sem=0
if(-1 == (semctl(sem_id, 0, SETVAL, value)))
{
perror("semctl");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//4. Creat the shared memory(1K bytes)
shm_id = shmget(key, 1024, IPC_CREAT|0644);
if(-1 == shm_id)
{
perror("shmget");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//5. attach the shm_id to this process
char *shm_ptr;
shm_ptr = shmat(shm_id, NULL, 0);
if(NULL == shm_ptr)
{
perror("shmat");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//6. Operation procedure
struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0; //first sem(index=0)
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
sem_b.sem_op = 1; //Increase 1,make sem=1
while(1)
{
if(0 == (value = semctl(sem_id, 0, GETVAL)))
{
printf("
Now, snd message process running:
");
printf(" Input the snd message: ");
scanf("%s", shm_ptr);
if(-1 == semop(sem_id, &sem_b, 1))
{
perror("semop");
exit(EXIT_FAILURE);
}
}
//if enter "end", then end the process
if(0 == (strcmp(shm_ptr ,"end")))
{
printf("
Exit sender process now!
");
break;
}
}
shmdt(shm_ptr);
return 0;
}
2- Receiver.c
/*
* Filename: Receiver.c
* Description:
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
key_t key;
int shm_id;
int sem_id;
int value = 0;
//1.Product the key
key = ftok(".", 0xFF);
//2. Creat semaphore for visit the shared memory
sem_id = semget(key, 1, IPC_CREAT|0644);
if(-1 == sem_id)
{
perror("semget");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//3. init the semaphore, sem=0
if(-1 == (semctl(sem_id, 0, SETVAL, value)))
{
perror("semctl");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//4. Creat the shared memory(1K bytes)
shm_id = shmget(key, 1024, IPC_CREAT|0644);
if(-1 == shm_id)
{
perror("shmget");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//5. attach the shm_id to this process
char *shm_ptr;
shm_ptr = shmat(shm_id, NULL, 0);
if(NULL == shm_ptr)
{
perror("shmat");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//6. Operation procedure
struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0; //first sem(index=0)
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
sem_b.sem_op = -1; //Increase 1,make sem=1
while(1)
{
if(1 == (value = semctl(sem_id, 0, GETVAL)))
{
printf("
Now, receive message process running:
");
printf(" The message is : %s
", shm_ptr);
if(-1 == semop(sem_id, &sem_b, 1))
{
perror("semop");
exit(EXIT_FAILURE);
}
}
//if enter "end", then end the process
if(0 == (strcmp(shm_ptr ,"end")))
{
printf("
Exit the receiver process now!
");
break;
}
}
shmdt(shm_ptr);
//7. delete the shared memory
if(-1 == shmctl(shm_id, IPC_RMID, NULL))
{
perror("shmctl");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//8. delete the semaphore
if(-1 == semctl(sem_id, 0, IPC_RMID))
{
perror("semctl");
exit(EXIT_FAILURE);
}
return 0;
}