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共享内存就是允许两个不相关的进程访问同一个逻辑内存。共享内存是在两个正在运行的进程之间共享和传递数据的一种非常有效的方式。不同进程之间共享的内存通常为同一段物理内存。使用共享内存进行通信的进程都需要同一段共享内存连接到它们自己的地址空间…一、什么是共享内存
共享内存就是允许两个不相关的进程访问同一个逻辑内存。共享内存是在两个正在运行的进程之间共享和传递数据的一种非常有效的方式。不同进程之间共享的内存通常为同一段物理内存。使用共享内存进行通信的进程都需要同一段共享内存连接到它们自己的地址空间中从而所有进程都可以访问共享内存中的数据这段内存就好像由C语言函数malloc()分配的一样。而如果某个进程向共享内存写入数据所做的改动将立即影响到可以访问同一段共享内存的其他进程
特别提醒共享内存并未提供同步机制也就是说在第一个进程结束对共享内存的写操作之前并无机制可以阻止第二个进程对内存数据的读取。可以使用信号量来同步对共享内存的访问
二、共享内存的使用
与信号量一样在Linux中也提供了一组函数接口用于使用共享内存而且使用共享共存的接口还与信号量的非常相似而且比使用信号量的接口来得简单。它们声明在头文件 sys/shm.h 中。
1、shmget()函数
该函数用来创建共享内存它的原型为int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg); 第一个参数与信号量的semget函数一样程序需要提供一个参数key非0整数它有效地为共享内存段命名shmget()函数成功时返回一个与key相关的共享内存标识符非负整数用于后续的共享内存函数。调用失败返回-1.不相关的进程可以通过该函数的返回值访问同一共享内存它代表程序可能要使用的某个资源程序对所有共享内存的访问都是间接的程序先通过调用shmget()函数并提供一个键再由系统生成一个相应的共享内存标识符shmget()函数的返回值只有shmget()函数才直接使用信号量键所有其他的信号量函数使用由semget函数返回的信号量标识符。第二个参数size以字节为单位指定需要共享的内存容量第三个参数shmflg是权限标志它的作用与open函数的mode参数一样如果要想在key标识的共享内存不存在时创建它的话可以与IPC_CREAT做或操作。共享内存的权限标志与文件的读写权限一样举例来说0644,它表示允许一个进程创建的共享内存被内存创建者所拥有的进程向共享内存读取和写入数据同时其他用户创建的进程只能读取共享内存。
2、shmat()函数 -- atattach
第一次创建完共享内存时它还不能被任何进程访问shmat()函数的作用就是用来启动对该共享内存的访问并把共享内存连接到当前进程的地址空间。它的原型如下void *shmat(int shm_id, const void *shm_addr, int shmflg); 第一个参数shm_id是由shmget()函数返回的共享内存标识。第二个参数shm_addr指定共享内存连接到当前进程中的地址位置通常为空表示让系统来选择共享内存的地址。第三个参数shm_flg是一组标志位通常为0。调用成功时返回一个指向共享内存第一个字节的指针如果调用失败返回-1.
3、shmdt()函数 -- dtdetach
该函数用于将共享内存从当前进程中分离。注意将共享内存分离并不是删除它只是使该共享内存对当前进程不再可用。它的原型如下int shmdt(const void *shmaddr); 参数shmaddr是shmat()函数返回的地址指针调用成功时返回0失败时返回-1.
4、shmctl()函数 -- ctlcontrol
与信号量的semctl()函数一样用来控制共享内存它的原型如下int shmctl(int shm_id, int command, struct shmid_ds *buf); 第一个参数shm_id是shmget()函数返回的共享内存标识符。第二个参数command是要采取的操作它可以取下面的三个值 IPC_STAT把shmid_ds结构中的数据设置为共享内存的当前关联值即用共享内存的当前关联值覆盖shmid_ds的值。IPC_SET如果进程有足够的权限就把共享内存的当前关联值设置为shmid_ds结构中给出的值IPC_RMID删除共享内存段第三个参数buf是一个结构指针它指向共享内存模式和访问权限的结构。shmid_ds结构 至少包括以下成员
struct shmid_ds
{uid_t shm_perm.uid;uid_t shm_perm.gid;mode_t shm_perm.mode;
};
三、使用共享内存进行进程间通信
说了这么多又到了实战的时候了。下面就以两个不相关的进程来说明进程间如何通过共享内存来进行通信。其中一个文件shmread.c创建共享内存并读取其中的信息另一个文件shmwrite.c向共享内存中写入数据。为了方便操作和数据结构的统一为这两个文件定义了相同的数据结构定义在文件shmdata.c中。结构shared_use_st中的written作为一个可读或可写的标志非0表示可读0表示可写text则是内存中的文件。将shmdata.h和shmread.h作为一个工程将shmdata.h和shmwrite.h作为一个工程先执行shmread.h的代码再执行shmwrite.h的代码 shmdata.h的源代码如下
#ifndef _SHMDATA_H_HEADER
#define _SHMDATA_H_HEADER#define TEXT_SZ 2048struct shared_use_st
{int written; // 作为一个标志非0表示可读0表示可写char text[TEXT_SZ]; // 记录写入 和 读取 的文本
};#endif shmread.h
#include cstdlib
#include cstdio
#include sys/shm.h
#include unistd.h
#include cstring#include shmdata.h
int main() {void *shm nullptr;struct shared_use_st *shared;int shmid;// 创建共享内存shmid shmget((key_t)1234,sizeof(struct shared_use_st),0666|IPC_CREAT);if (shmid -1){fprintf(stderr,shmat failed\n);exit(EXIT_FAILURE);}// 将共享内存连接到当前进程的地址空间shm shmat(shmid,0,0);if (shm (void *)-1){fprintf(stderr,shmat failed\n);exit(EXIT_FAILURE);}printf(Memory attched at %p\n, shm);shared (struct shared_use_st*)shm;shared-written 0;while (1){if (shared-written 1){printf(You wrote:%s,shared-text);sleep(1);// 读取完数据设置written使共享内存段可写shared-written 0;if (strncmp(shared-text,end,3) 0){break;}}else{sleep(1);}}// 把共享内存从当前进程中分离if (shmdt(shm) -1){fprintf(stderr,shmat failed\n);exit(EXIT_FAILURE);}// 删除共享内存if (shmctl(shmid,IPC_RMID,0) -1){fprintf(stderr, shmctl(IPC_RMID) failed\n);exit(EXIT_FAILURE);}exit(EXIT_SUCCESS);
} shmwrite.h
#include cstdlib
#include cstdio
#include cstring
#include sys/shm.h
#include unistd.h
#include shmdata.hint main(int argc, char **argv)
{void *shm NULL;struct shared_use_st *shared NULL;char buffer[BUFSIZ 1]; // 用于保存输入的文本int shmid;// 创建共享内存shmid shmget((key_t)1234, sizeof(struct shared_use_st), 0666|IPC_CREAT);if (shmid -1){fprintf(stderr, shmget failed\n);exit(EXIT_FAILURE);}// 将共享内存连接到当前的进程地址空间shm shmat(shmid, (void *)0, 0);if (shm (void *)-1){fprintf(stderr, shmat failed\n);exit(EXIT_FAILURE);}printf(Memory attched at %p\n, shm);// 设置共享内存shared (struct shared_use_st *)shm;while (1) // 向共享内存中写数据{// 数据还没有被读取则等待数据被读取不能向共享内存中写入文本while (shared-written 1){sleep(1);printf(Waiting...\n);}// 向共享内存中写入数据printf(Enter some text: );fgets(buffer, BUFSIZ, stdin);strncpy(shared-text, buffer, TEXT_SZ);// 写完数据设置written使共享内存段可读shared-written 1;// 输入了end退出循环程序if (strncmp(buffer, end, 3) 0){break;}}// 把共享内存从当前进程中分离if (shmdt(shm) -1){fprintf(stderr, shmdt failed\n);exit(EXIT_FAILURE);}sleep(2);exit(EXIT_SUCCESS);
}
输出结果 分析
程序shmread创建共享内存然后将它连接到自己的地址空间。在共享内存的开始处使用了一个结构struct_use_st。该结构中有个标志written当共享内存中有其他进程向它写入数据时共享内存中的written被设置为0程序等待。当它不为0时表示没有进程对共享内存写入数据程序就从共享内存中读取数据并输出然后重置设置共享内存中的written为0即让其可被shmwrite进程写入数据。程序shmwrite取得共享内存并连接到自己的地址空间中。检查共享内存中的written是否为0若不是表示共享内存中的数据还没有被完则等待其他进程读取完成并提示用户等待。若共享内存的written为0表示没有其他进程对共享内存进行读取则提示用户输入文本并再次设置共享内存中的written为1表示写完成其他进程可对共享内存进行读操作。
四、关于前面的例子的安全性讨论
这个程序是不安全的当有多个程序同时向共享内存中读写数据时问题就会出现。可能你会认为可以改变一下written的使用方式例如只有当written为0时进程才可以向共享内存写入数据而当一个进程只有在written不为0时才能对其进行读取同时把written进行加1操作读取完后进行减1操作。这就有点像文件锁中的读写锁的功能。咋看之下它似乎能行得通。但是这都不是原子操作所以这种做法是行不能的。试想当written为0时如果有两个进程同时访问共享内存它们就会发现written为0于是两个进程都对其进行写操作显然不行。当written为1时有两个进程同时对共享内存进行读操作时也是如些当这两个进程都读取完是written就变成了-1.要想让程序安全地执行就要有一种进程同步的进制保证在进入临界区的操作是原子操作。例如可以使用前面所讲的信号量来进行进程的同步。因为信号量的操作都是原子性的。
五、使用共享内存的优缺点
优点我们可以看到使用共享内存进行进程间的通信真的是非常方便而且函数的接口也简单数据的共享还使进程间的数据不用传送而是直接访问内存也加快了程序的效率。同时它也不像匿名管道那样要求通信的进程有一定的父子关系。缺点共享内存没有提供同步的机制这使得我们在使用共享内存进行进程间通信时往往要借助其他的手段来进行进程间的同步工作。
参考链接
shmget
