進程間通信---共享內存

進程間通信---共享內存

進程間的通信方式我們都熟悉，管道（命名管道）、信號（signal）、共享內存、消息隊列、套接字（socket），關於信號量個人認為應該歸為進程間的同步機制裡。
下面我們就說說共享內存的通信方式。 它是IPC中最快的。一旦內存區映射到共享它的進程的地址空間，這些進程間數據的傳遞就不在涉及內核。但是存取數據的時候需要保持同步. 關於共享內存權威的參考資料為《unix網絡編程卷2》. 在前面我們講解了mmap的內核機制，在posix v的共享內存的方式就是這個原理。system v也類似，只不過對接口進行了封裝.
我們先從posix v的方式開始說起，它常用的函數接口:
open/shm_open + mmap 、munmap、msync、shm_unlink等.
既然是open那麼就會對應文件，當然並不是所有的文件都可以映射.這裡支持的文件類型：
1 .普通的磁盤文件
2. 設備文件（除去一些特殊的文件）
3.內存文件 （例如tmpfs）
4. 匿名映射 (主要用在具有親緣關系的進程間)
先說一下常用的匿名映射，直接open /dev/zero保證映射區域都初始化為0 的匿名映射。 還有可以直接用mmap來映射，而不用打開任何文件：

mmap( NULL,size_of_map,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED | MAP_ANON, -1,0 );

這裡提示一下mmap的函數原型：

void* mmap(void* start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset);

匿名映射主要區別是flags 裡多了一個 MAP_ANON標志，和fd傳遞的為-1. 關於更多mmap的資料請自行查詢.
下面說一下一般mmap方式的共享內存需要注意的：
映射的內存區域大小和文件大小，內存映射的大小都是頁面的整數倍（PAGESIZE 4096默認） 比如文件大小為5000，映射了5000 ，那麼可以訪問2*PAGESIZE的內存區域，但是大於5000的內存寫不會同步到文件裡。這個內存可以訪問的大小跟文件大小也是有關系的。映射的時候會自動檢查底層的支持即文件的大小. 但是我們知道mmap的方式的優點就是可以動態的改變文件的大小，函數接口為ftruncate和fstat. 具體用法參考unix網絡編程卷2.

下面就簡單總結下它的 特點：
1. 可以隨時改變其大小
操作函數接口：ftruncate 和fstat
2. 必須先創建打開一個文件為基礎 ，這個文件可以是磁盤文件 或者內存文件比如tmpfs下的文件；如果共享內存的配置需要寫入到磁盤 ，可以選擇打開磁盤文件。如果在嵌入式裡用一般會把flash一個文件作為映射 ，既然需要頻繁的操作文件 和磁盤讀寫 所以建議還是用shm。 畢竟flash頻繁讀寫影響壽命和容易出現壞塊。

而system v的方式不需要明確的open文件，但是函數操作接口比較多.
函數接口： shmget、shmat、shmdt、shmctl等。
shm方式有些限制：
shmax 一個共享內存區的最大字節數 （具體系統不太一樣）
shmmnb 一個共享內存區的最小字節數 1
shmmni 系統范圍最大共享內存區標識數 128
shmseg 每個進程附接的最大共享內存區數 32
這些信息可以通過proc文件系統來查看。cat /proc/sys/kernel/shmmax 等. 具體查看映射的內存區 可以通過ipcs命令來查看和操作.

我們也總結下它的特點：
1.不需要創建和打開文件
2. 如果是多進程間通信，需要統一 一個key標示 。動態生成的不一定一致。
3.讀寫的速度高於mmap的方式
4. 共享內存空間不能太大，畢竟直接占用內存空間.
不論哪種方式，都會涉及多進程間的通信、數據交互什麼的，那麼就必須保持互斥和同步，這裡最常用的方式是采用信號量的方式.
信號量的接口：sem_init、sem_wait、sem_post. 由於用了信號量編譯的時候會需要鏈接線程庫 -lpthread.
下面就具體代碼示例看看它們的具體用法：
posix v方式：
1. 初始化，之後進入循環不停的寫，周期為1s。

#include  
#include  
#include  
#include  
#include 


#define  CLUSTER_SHARED_FILE "/tmp/cluster_share"

typedef struct{ 
char name[4]; 
int age; 
}people; 

struct stu {

sem_t  mutex;
people s[10];

};

struct stu  t;

main(int argc, char** argv) // map a normal file as shared mem: 
{ 
int fd,i; 
struct stu *p_map; 
char temp; 

fd=open(CLUSTER_SHARED_FILE,O_CREAT|O_RDWR|O_TRUNC,00777); 
lseek(fd,sizeof(t)-1,SEEK_SET); 
write(fd,"",1); 

p_map = (struct stu *) mmap( NULL,sizeof(t),PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0 ); 
close(fd); 
temp = 'a';
sem_init(&p_map->mutex,1,1);
int j=0;
while(1)
{
j++;
 printf("j 1\n");
 sem_wait(&p_map->mutex);
 printf("j 2\n");
for(i=1; i<10; i++) 
{ 
// temp += 1; 
 
memcpy(p_map->s[i].name, &temp,2 ); 
p_map->s[i].age = p_map->s[i].age +20+i+j; 
} 
printf("j 3\n");
sem_post(&p_map->mutex);
printf("j 4\n");
  sleep(1);
}
printf(" initialize over \n "); 
sleep(50); 
munmap( p_map, sizeof(t) ); 
printf( "umap ok \n" ); 
}

2. 讀取操作：

#include  
#include  
#include  
#include  

#include  

#include 

#define  CLUSTER_SHARED_FILE "/tmp/cluster_share"

typedef struct{ 
char name[4]; 
int age; 
}people; 

struct stu {

sem_t  mutex;
people  s[10];
};

struct stu t;

main(int argc, char** argv) // map a normal file as shared mem: 
{ 
int fd,i; 
struct stu *p_map; 
char temp; 

fd=open(CLUSTER_SHARED_FILE,O_CREAT|O_RDWR,00777); 
// lseek(fd,sizeof(people)*5-1,SEEK_SET); 
// write(fd,"",1); 

p_map = (struct stu *) mmap( NULL,sizeof(t),PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0 ); 
 close( fd ); 

 while(1)
{
sleep(1);
printf("2.....s\n");
sem_wait(&p_map->mutex);
printf("2.....\n");
for(i=0; i<10; i++) 
{ 
printf("name:%s,age:%d\n",p_map->s[i].name,p_map->s[i].age); 

} 
printf("2.....0\n");
sem_post(&p_map->mutex);
printf("2.......1");
}
munmap( p_map, sizeof(t)); 
printf( "umap ok \n" ); 
}

至於並非的寫操作，程序稍微修改一下就可以測試. 多並發沒有問題.
system V的方式，雖然接口不太一樣，但是也很類似。
1. 初始化

#include  
#include  
#include  
#include  
#include  
#include 

//#include "shmdata.h" 




#define TEXT_SZ 2048 

struct shared_use_st 
{ 
sem_t  mutex;
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 
int cnt;
}; 


int main() 
{ 
int running = 1; 
void *shm = NULL; 
struct shared_use_st *shared = NULL; 
char buffer[4096]="hello world"; 
int shmid;
int i=0;
//創建共享內存 
#if 0
//刪除共享內存 
if(shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1) 
{ 
fprintf(stderr, "shmctl(IPC_RMID) failed\n"); 
exit(EXIT_FAILURE); 
}
#endif 
shmid = shmget((key_t)12345, sizeof(struct shared_use_st), 0666|IPC_CREAT); 
if(shmid == -1) 
{ 
fprintf(stderr, "shmget failed\n"); 
exit(EXIT_FAILURE); 
} 
//將共享內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); 
//設置共享內存 
shared = (struct shared_use_st*)shm;
sem_init(&shared->mutex,1,1);

while(running)//向共享內存中寫數據 
{ 
strncpy(shared->text, buffer, TEXT_SZ); 

sem_wait(&shared->mutex);
//shared->cnt = 0;
shared->cnt = shared->cnt +i;
sem_post(&shared->mutex);
i++;
shared->written = 1;

sleep(1);
} 
//把共享內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); 
}

2. 讀取操作

#include  
#include  
#include  
#include  
//#include "shmdata.h" 
#include 




#define TEXT_SZ 2048 

struct shared_use_st 
{ 
sem_t mutex;
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
int cnt;
}; 

int main() 
{ 
int running = 1;//程序是否繼續運行的標志 
void *shm = NULL;//分配的共享內存的原始首地址 
struct shared_use_st *shared;//指向shm 
int shmid;//共享內存標識符 
//創建共享內存 
shmid = shmget((key_t)12345, sizeof(struct shared_use_st), 0666); 
if(shmid == -1) 
{ 
fprintf(stderr, "shmget failed\n"); 
exit(EXIT_FAILURE); 
} 
//將共享內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); 
//設置共享內存 
shared = (struct shared_use_st*)shm; 
// shared->written = 0; 
while(running)//讀取共享內存中的數據 
{ 

sem_wait(&shared->mutex);
printf("text:%s,cnt:%d\n",shared->text,shared->cnt);
sem_post(&shared->mutex);
sleep(1);


} 
//把共享內存從當前進程中分離 
if(shmdt(shm) == -1) 
{ 
fprintf(stderr, "shmdt failed\n"); 
exit(EXIT_FAILURE); 
} 
#if 0
//刪除共享內存 
if(shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1) 
{ 
fprintf(stderr, "shmctl(IPC_RMID) failed\n"); 
exit(EXIT_FAILURE); 
}
#endif 
exit(EXIT_SUCCESS); 
}

整體的用法還算比較簡單. 也很高效方便.