進程間通信之： 共享內(nèi)存

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8.5??共享內(nèi)存

8.5.1??共享內(nèi)存概述

可以說，共享內(nèi)存是一種最為高效的進程間通信方式。因為進程可以直接讀寫內(nèi)存，不需要任何數(shù)據(jù)的復制。為了在多個進程間交換信息，內(nèi)核專門留出了一塊內(nèi)存區(qū)。這段內(nèi)存區(qū)可以由需要訪問的進程將其映射到自己的私有地址空間。因此，進程就可以直接讀寫這一內(nèi)存區(qū)而不需要進行數(shù)據(jù)的復制，從而大大提高了效率。當然，由于多個進程共享一段內(nèi)存，因此也需要依靠某種同步機制，如互斥鎖和信號量等（請參考本章的共享內(nèi)存實驗）。其原理示意圖如圖8.8所示。

圖8.8??共享內(nèi)存原理示意圖

8.5.2??共享內(nèi)存的應用

1．函數(shù)說明

共享內(nèi)存的實現(xiàn)分為兩個步驟，第一步是創(chuàng)建共享內(nèi)存，這里用到的函數(shù)是shmget()，也就是從內(nèi)存中獲得一段共享內(nèi)存區(qū)域，第二步映射共享內(nèi)存，也就是把這段創(chuàng)建的共享內(nèi)存映射到具體的進程空間中，這里使用的函數(shù)是shmat()。到這里，就可以使用這段共享內(nèi)存了，也就是可以使用不帶緩沖的I/O讀寫命令對其進行操作。除此之外，當然還有撤銷映射的操作，其函數(shù)為shmdt()。這里就主要介紹這3個函數(shù)。

2．函數(shù)格式

表8.20列舉了shmget()函數(shù)的語法要點。

表8.20 shmget()函數(shù)語法要點

表8.21列舉了shmat()函數(shù)的語法要點。

表8.21 shmat()函數(shù)語法要點

表8.22列舉了shmdt()函數(shù)的語法要點。

表8.22 shmdt()函數(shù)語法要點

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3．使用實例

該實例說明如何使用基本的共享內(nèi)存函數(shù)。首先是創(chuàng)建一個共享內(nèi)存區(qū)（采用的共享內(nèi)存的鍵值為IPC_PRIVATE，是因為本實例中創(chuàng)建的共享內(nèi)存是父子進程之間的共用部分），之后創(chuàng)建子進程，在父子兩個進程中將共享內(nèi)存分別映射到各自的進程地址空間之中。

父進程先等待用戶輸入，然后將用戶輸入的字符串寫入到共享內(nèi)存，之后往共享內(nèi)存的頭部寫入“WROTE”字符串表示父進程已成功寫入數(shù)據(jù)。子進程一直等到共享內(nèi)存的頭部字符串為“WROTE”，然后將共享內(nèi)存的有效數(shù)據(jù)（在父進程中用戶輸入的字符串）在屏幕上打印。父子兩個進程在完成以上工作之后，分別解除與共享內(nèi)存的映射關系。

最后在子進程中刪除共享內(nèi)存。因為共享內(nèi)存自身并不提供同步機制，所以應該額外實現(xiàn)不同進程之間的同步（例如：信號量）。為了簡單起見，在本實例中用標志字符串來實現(xiàn)非常簡單的父子進程之間的同步。

這里要介紹的一個命令是ipcs，這是用于報告進程間通信機制狀態(tài)的命令。它可以查看共享內(nèi)存、消息隊列等各種進程間通信機制的情況，這里使用了system()函數(shù)用于調(diào)用shell命令“ipcs”。程序源代碼如下所示：

/*?shmem.c?*/

#include?<sys/types.h>

#include?<sys/ipc.h>

#include?<sys/shm.h>

#include?<stdio.h>

#include?<stdlib.h>

#include?<string.h>

#define?BUFFER_SIZE?2048

int?main()

{

????pid_t?pid;

????int?shmid;

????char?*shm_addr;

????char?flag[]?=?"WROTE";

????char?*buff;

????

????/*?創(chuàng)建共享內(nèi)存?*/

????if?((shmid?=?shmget(IPC_PRIVATE,?BUFFER_SIZE,?0666))?<?0)

????{

????????perror("shmget");

????????exit(1);

????}

????else

????{

????????printf("Create?shared-memory:?%dn",shmid);

????}

????

????/*?顯示共享內(nèi)存情況?*/

????system("ipcs?-m");

????

????pid?=?fork();

????if?(pid?==?-1)

????{

????????perror("fork");

????????exit(1);

????}

????else?if?(pid?==?0)?/*?子進程處理?*/

????{

????????/*映射共享內(nèi)存*/

????????if?((shm_addr?=?shmat(shmid,?0,?0))?==?(void*)-1)

????????{

????????????perror("Child:?shmat");

????????????exit(1);

????????}

????????else

????????{

????????????printf("Child:?Attach?shared-memory:?%pn",?shm_addr);

????????}

????????system("ipcs?-m");

????????

????????/*?通過檢查在共享內(nèi)存的頭部是否標志字符串"WROTE"來確認

父進程已經(jīng)向共享內(nèi)存寫入有效數(shù)據(jù)?*/

????????while?(strncmp(shm_addr,?flag,?strlen(flag)))

????????{

????????????printf("Child:?Wait?for?enable?data...n");

????????????sleep(5);

????????}

????????

????????/*?獲取共享內(nèi)存的有效數(shù)據(jù)并顯示?*/

????????strcpy(buff,?shm_addr?+?strlen(flag));

????????printf("Child:?Shared-memory?:%sn",?buff);

????????

????????/*?解除共享內(nèi)存映射?*/

????????if?((shmdt(shm_addr))?<?0)

????????{

????????????perror("shmdt");

????????????exit(1);

????????}

????????else

????????{

????????????printf("Child:?Deattach?shared-memoryn");

????????}

????????system("ipcs?-m");

??????????

????????/*?刪除共享內(nèi)存?*/

????????if?(shmctl(shmid,?IPC_RMID,?NULL)?==?-1)

????????{

????????????perror("Child:?shmctl(IPC_RMID)n");

????????????exit(1);

????????}

????????else

????????{

????????????printf("Delete?shared-memoryn");

????????}

????????

????????system("ipcs?-m");

????}

????else?/*?父進程處理?*/

????{

????????/*映射共享內(nèi)存*/

????????if?((shm_addr?=?shmat(shmid,?0,?0))?==?(void*)-1)

????????{

????????????perror("Parent:?shmat");

????????????exit(1);

????????}

????????else

????????{

????????????printf("Parent:?Attach?shared-memory:?%pn",?shm_addr);

????????}

????????

????????sleep(1);

????????printf("nInput?some?string:n");

????????fgets(buff,?BUFFER_SIZE,?stdin);

????????strncpy(shm_addr?+?strlen(flag),?buff,?strlen(buff));

????????strncpy(shm_addr,?flag,?strlen(flag));

????????

????????/*?解除共享內(nèi)存映射?*/

????????if?((shmdt(shm_addr))?<?0)

????????{

????????????perror("Parent:?shmdt");

????????????exit(1);

????????}

????????else

????????{

????????????printf("Parent:?Deattach?shared-memoryn");

????????}

????????system("ipcs?-m");

????????

????????waitpid(pid,?NULL,?0);????????

????????printf("Finishedn");

????}

????exit(0);

}

?

下面是運行結果。從該結果可以看出，nattch的值隨著共享內(nèi)存狀態(tài)的變化而變化，共享內(nèi)存的值根據(jù)不同的系統(tǒng)會有所不同。

$?./shmem

Create?shared-memory:?753665

/*?在剛創(chuàng)建共享內(nèi)存時（尚未有任何地址映射）共享內(nèi)存的情況?*/

------?Shared?Memory?Segments?--------

key????????shmid??????owner??????perms??????bytes??????nattch?????status??????

0x00000000?753665?????david?????666????????2048???????0???????????????????????

Child:?Attach?shared-memory:?0xb7f59000?/*?共享內(nèi)存的映射地址?*/

Parent:?Attach?shared-memory:?0xb7f59000

/*?在父子進程中進行共享內(nèi)存的地址映射之后共享內(nèi)存的情況*/

------?Shared?Memory?Segments?--------

key????????shmid??????owner??????perms??????bytes??????nattch?????status??????

0x00000000?753665?????david?????666????????2048???????2???????????????????????

Child:?Wait?for?enable?data...

Input?some?string:

Hello?/*?用戶輸入字符串“Hello”?*/

Parent:?Deattach?shared-memory

/*?在父進程中解除共享內(nèi)存的映射關系之后共享內(nèi)存的情況?*/

------?Shared?Memory?Segments?--------

key????????shmid??????owner??????perms??????bytes??????nattch?????status??????

0x00000000?753665?????david?????666????????2048???????1???????????????????????

/*在子進程中讀取共享內(nèi)存的有效數(shù)據(jù)并打印*/

Child:?Shared-memory?:hello

Child:?Deattach?shared-memory

/*?在子進程中解除共享內(nèi)存的映射關系之后共享內(nèi)存的情況?*/

------?Shared?Memory?Segments?--------

key????????shmid??????owner??????perms??????bytes??????nattch?????status??????

0x00000000?753665?????david?????666????????2048???????0???????????????????????

Delete?shared-memory

/*?在刪除共享內(nèi)存之后共享內(nèi)存的情況?*/

------?Shared?Memory?Segments?--------

key????????shmid??????owner??????perms??????bytes??????nattch?????status??????

Finished