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  • 进程间通信---共享内存

    一、IPC（Inter-Process Communication，进程间通信）对象的介绍
     
    System V 的IPC对象有共享内存、消息队列、信号灯。



    注意:在IPC的通信模式下，不管是使用消息队列还是共享内存，甚至是信号灯，每个IPC的对象都有唯一的名字,称为"键"(key)。通过"键"，进程能够识别所用的对象。"键"与IPC对象的关系就如同文件名称于文件，通过文件名，进程能够读写文件内的数据，甚至多个进程能够公用一个文件。而在 IPC的通讯模式下，通过"键"的使用也使得一个IPC对象能为多个进程所共用。
     
    二、共享内存的介绍
     
    <1>共享内存是一种最为高效的进程间通信方式，进程可以直接读写内存，而不需要任何数据的拷贝。
     
    <2>为了在多个进程间交换信息，内核专门留出了一块内存区，可以由需要访问的进程将其映射到自己的私有地址空间。进程就可以直接读写这一块内存而不需要进行数据的拷贝，从而大大提高效率。
     
    <3>由于多个进程共享一段内存，因此也需要依靠某种同步机制。
     
    三、共享内存的特点



    四、共享内存的操作流程
     
    <1>创建/打开共享内存
    <2>映射共享内存，即把指定的共享内存映射到进程的地址空间用于访问
    <3>撤销共享内存映射
    <4>删除共享内存对象
     
    五、相关API 
     
    A.获取一块共享内存



    功能：分配一块共享内存
     
    返回值:
     
    调用成功返回一个shmid（类似打开一个或创建一个文件获得的文件描述符一样）;
    调用失败返回-1。
     
    参数说明:
     
    <1>key标识共享内存的键值(就像文件的标识是文件名):0  / IPC_PRIVATE。
     
    当key的取值为IPC_PRIVATE,则函数shmget()将创建一块新的共享内存；
     
    如果key的取值为0，而参数shmflg中设置了IPC_CREATE这个标志，则同样创建一块新的共享内存。
     
    通过这种方式分配的共享内存，一般用来亲缘关系的进程间通信。
     
    注意：我们一般是通过ftok这个函数获取键值

    功能 : 获取一个IPC对象的键值
     
    参数说明:
     
    pthname就是你指定文件名的路径(该文件必须是存在而且可以访问的),一般情况我们都写一个目录
     
    proj_id  ： 和pthname一起完成创建键值的参数，虽然为int,但是只有8个比特被使用。一般我们写一个字符代替。
     
    例如:
     
    案例:


    运行的结果:



    <2>size是要建立共享内存的长度。所有的内存分配操作都是以页为单位的。所以如果一个进程只申请一块只有一个字节的内存，内存也会分配整整一页(在i386机器中一页的缺省大小PACE_SIZE = 4096字节)。
     
    <3>shmflg有效的标志包括IPC_CREAT 和IPC_EXCL,他们的功能与open()的O_CREAT和O_EXCL相当。
     
    IPC_CREAT      如果共享内存不存在，则创建一个共享内存，否则直接打开已存在的
    IPC_EXCL        只有在共享内存不存在的时候，新的共享内存才建立，否则就产生错误



    例子一:假设键值为key,创建一个共享内存大小为4k,访问权限为066,如果已经存在则返回其标识号 
     
    int shmid;
    if( (shmid = shmget(key,4 * 1024,0666 | IPC_CREAT)) < 0)
    {
        perror("Fail to shmget");
        exit(EXIT_FAILURE)
    }
     
    例子二、假设键值为key,创建一个共享内存大小为1k，访问权限为0666，如果已经存在则报错
     
    int shmid;
    if((shmid  = shmget(key,1024,0666 | IPC_CREAT | IPC_EXCL)) < 0)
    {
        perror("Fail to shmget");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
     
    B.共享内存的映射



    函数shmat将标识号为shmid共享内存映射到调用进程的地址空间中。
     
    参数说明:
     
    shmid  :  要映射的共享内存区标识符
     
    shmaddr  :  将共享内存映射到指定地址(若为NULL,则表示由系统自动完成映射)
     
    shmflg  :  SHM_RDONLY  共享内存只读
                    默认0:共享内存可读写。
     
    返回值 :调用成功放回映射后的地址 ,出错放回(void *)-1；
     
    C.取消共享内存与用户进程之间的映射



    参数shmaddr是shmat映射成功放回的地址。
     
    注意：当一个进程不再需要共享内存段时，它将调用shmdt()系统调用取消这个段，但是，这并不是从内核真正地删除这个段，而是把相关shmid_ds结构的shm_nattch域的值减1，当这个值为0时，内核才从物理上删除这个共享段。
     
    D.控制共享内存



    参数说明:
     
    shmid  共享内存标识ID
     
    cmd      IPC_STAT得到共享内存的状态
                  IPC_SET改变共享内存的状态
                  IPC_RMID删除共享内存
     
    buf  是一个结构体指针。IPC_STAT的时候，取得的状态放在这个结构体中。如果要改变共享内存的状态，用这个结构体指定；



    注意：
     
    1.IPC_RMID命令实际上不从内核删除一个段，而是仅仅把这个段标记为删除，实际的删除发生最后一个进程离开这个共享段时。
     
    2.当cmd为IPC_RMID时，第三个参数应为NULL。呵呵，大部分我们都是这样做,用这个函数删除共享内存。
     
     
    案例探究:


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    1. #include <sys/shm.h>
    2. #include <stdio.h>
    3. #include <stdlib.h>
    4. #include <string.h>
    5. #include <semaphore.h>
    6. #include <fcntl.h>
    7. #include <sys/stat.h>
    10. #define BUFF_SIZE 1024
    12. int father_do_work(int shmid)
    13. {
    14.     char *buf;
    15.     void *shmaddr;
    16.     sem_t *prsem;
    17.     sem_t *pwsem;
    19.     //有名信号量
    20.     if((prsem = sem_open("rsem",O_CREAT,0666,0)) == SEM_FAILED)
    21.     {
    22.         perror("Fail to sem open");
    23.         return -1;
    24.     }
    25.         
    26.         //有名信号量
    27.     if((pwsem = sem_open("wsem",O_CREAT,0666,1)) == SEM_FAILED)
    28.     {
    29.         perror("Fail to sem open");
    30.         return -1;
    31.     }
    33.     //映射共享内存
    34.     if((shmaddr = shmat(shmid,NULL,0)) == (void *)-1)
    35.     {
    36.         perror("Fail to shmat");
    37.         exit(EXIT_FAILURE);
    38.     }
    40.     buf = (char *)shmaddr;
    42.     while(1)
    43.     {
    44.         if(sem_wait(pwsem) < 0)
    45.         {
    46.             perror("Fail to sem wait");
    47.             break;
    48.         }
    50.         printf(">");
    51.         fgets(buf,BUFF_SIZE,stdin);
    52.         buf[strlen(buf) - 1] = '';
    53.         
    54.         if(sem_post(prsem) < 0)
    55.         {
    56.             perror("Fail to sem post");
    57.             break;
    58.         }
    59.         
    60.         if(strncmp(buf,"quit",4) == 0)
    61.         {
    62.             if(shmdt(shmaddr) < 0)
    63.             {
    64.                 perror("Fail to shmaddr");
    65.                 exit(EXIT_FAILURE);
    66.             }
    68.             break;
    69.         }
    70.     
    71.         usleep(500);
    72.     }
    73.     
    74.     return 0;
    75. }
    77. int child_do_work(int shmid)
    78. {
    79.     char *buf;
    80.     void *shmaddr;
    81.     sem_t *prsem;
    82.     sem_t *pwsem;
    84.     //
    85.     if((prsem = sem_open("rsem",O_CREAT,0666,0)) == SEM_FAILED)
    86.     {
    87.         perror("Fail to sem open");
    88.         return -1;
    89.     }
    91.     if((pwsem = sem_open("wsem",O_CREAT,0666,1)) == SEM_FAILED)
    92.     {
    93.         perror("Fail to sem open");
    94.         return -1;
    95.     }
    97.     //映射共享内存
    98.     if((shmaddr = shmat(shmid,NULL,0)) == (void *)-1)
    99.     {
    100.         perror("Fail to shmat");
    101.         exit(EXIT_FAILURE);
    102.     }
    104.     buf = (char *)shmaddr;
    106.     while(1)
    107.     {
    108.         if(sem_wait(prsem) < 0)
    109.         {
    110.             perror("Fail to prsem");
    111.             break;
    112.         }
    114.         printf("read buf : %s. ",buf);
    116.         if(sem_post(pwsem) < 0)
    117.         {
    118.             perror("Fail to pwsem");
    119.             break;
    120.         }
    122.         if(strncmp(buf,"quit",4) == 0)
    123.         {
    124.             if(shmdt(shmaddr) < 0)
    125.             {
    126.                 perror("Fail to shmaddr");
    127.                 exit(EXIT_FAILURE);
    128.             }
    130.             break;
    131.         }
    132.     }
    133.     
    134.     return 0;
    135. }
    137. int main()
    138. {
    139.     int shmid;
    140.     int pid;
    141.     void *shmaddr;
    142.     
    143.     //创建共享内存
    144.     if((shmid = shmget(IPC_PRIVATE,BUFF_SIZE,0666 | IPC_CREAT)) < 0)
    145.     {
    146.         perror("Fail to shmget");
    147.         exit(EXIT_FAILURE);
    148.     }
    151.     if((pid = fork()) < 0)
    152.     {
    154.         perror("Fail to fork");
    155.         exit(EXIT_FAILURE);
    156.     
    157.     }else if(pid == 0){
    158.     
    159.         child_do_work(shmid);
    160.     
    161.     }else{
    162.         
    163.         father_do_work(shmid);
    164.         wait(NULL);
    166.         if(shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL) < 0)
    167.         {
    168.             perror("Fail to shmctl");
    169.             exit(EXIT_FAILURE);
    170.         }
    171.     }
    173.     exit(EXIT_SUCCESS);
    174. }

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