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本文關(guān)鍵字： linux 共享內(nèi)存，linux 共享內(nèi)存編程
可以說，共享內(nèi)存是一種為高效的進(jìn)程間通信方式，因為進(jìn)程可以直接讀寫內(nèi)存，不需要任何數(shù)據(jù)的復(fù)制。為了在多個進(jìn)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(jìn)程將其映射到自己的私有地址空間。因此，進(jìn)程就可以直接讀寫這一內(nèi)存區(qū)而不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的復(fù)制，從而大大提高了效率。當(dāng)然，由于多個進(jìn)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。其原理示意圖如圖1所示。
圖1 共享內(nèi)存原理示意圖
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；第二步是映射共享內(nèi)存，也就是把這段創(chuàng)建的共享內(nèi)存映射到具體的進(jìn)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(jìn)行操作。除此之外，還有撤銷映射的操作，其函數(shù)為shmdt()。這里主要介紹這3個函數(shù)。
表1 列舉了shmget()函數(shù)的語法要點。
表1 shmget()函數(shù)語法要點
| 所需頭文件 |
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
|
| 函數(shù)原型 |
int shmget(key_t key, int size, int shmflg) |
| 函數(shù)傳入值 |
key：共享內(nèi)存的鍵值，多個進(jìn)程可以通過它訪問同一個共享內(nèi)存，其中有個特殊值IPC_PRIVATE，用于創(chuàng)建當(dāng)前進(jìn)程的私有共享內(nèi)存 |
| size：共享內(nèi)存區(qū)大小 |
| shmflg：同open()函數(shù)的權(quán)限位，也可以用八進(jìn)制表示法 |
| 函數(shù)返回值 |
成功：共享內(nèi)存段標(biāo)識符 |
| 出錯：-1 |
表2列舉了shmat()函數(shù)的語法要點。
表2 shmat()函數(shù)語法要點
| 所需頭文件 |
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
|
| 函數(shù)原型 |
char *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg) |
| 函數(shù)傳入值 |
shmid：要映射的共享內(nèi)存區(qū)標(biāo)識符 |
| shmaddr：將共享內(nèi)存映射到指定地址（若為0則表示系統(tǒng)自動分配地址并把該段共享內(nèi)存映射到調(diào)用進(jìn)程的地址空間） |
| shmflg |
SHM_RDONLY：共享內(nèi)存只讀 |
| 默認(rèn)0：共享內(nèi)存可讀寫 |
| 函數(shù)返回值 |
成功：被映射的段地址 |
| 出錯：-1 |
表3列舉了shmdt()函數(shù)的語法要點。
表3 shmdt()函數(shù)語法要點
| 所需頭文件 |
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
|
| 函數(shù)原型 |
int shmdt(const void *shmaddr) |
| 函數(shù)傳入值 |
shmaddr：被映射的共享內(nèi)存段地址 |
| 函數(shù)返回值 |
成功：0 |
| 出錯：-1 |
以下實例說明了如何使用基本的共享內(nèi)存函數(shù)。首先創(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(jìn)程間的共用部分），然后創(chuàng)建子進(jìn)程，在父子兩個進(jìn)程中將共享內(nèi)存分別映射到各自的進(jìn)程地址空間中。
父進(jìn)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，之后向共享內(nèi)存的頭部寫入“WROTE”字符串表示父進(jìn)程已成功寫入數(shù)據(jù)。子進(jìn)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(jìn)程中用戶輸入的字符串）在屏幕上打印。父子兩個進(jìn)程在完成以上工作后，分別解除與共享內(nèi)存的映射關(guān)系。
后在子進(jìn)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(yīng)額外實現(xiàn)不同進(jìn)程間的同步（如信號量）。為了簡單起見，在本實例中用標(biāo)志字符串來實現(xiàn)非常簡單的父子進(jìn)程間的同步。
這里要介紹的一個命令是ipcs，用于報告進(jìn)程間通信機制狀態(tài)，它可以查看共享內(nèi)存、消息隊列等各種進(jìn)程間通信機制的情況，這里使用了system()函數(shù)調(diào)用shell命令“ipcs”。程序源代碼如下：
/* 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: %d\n",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(jìn)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: %p\n", shm_addr);
}
system("ipcs -m");
/* 通過檢查在共享內(nèi)存的頭部是否有標(biāo)志字符串“WROTE”來確認(rèn)父進(jìn)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 :%s\n", buff);
/* 解除共享內(nèi)存映射 */
if ((shmdt(shm_addr)) < 0)
{
perror("shmdt");
exit(1);
}
else
{
printf("Child: Deattach shared-memory\n");
}
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-memory\n");
}
system("ipcs -m");
}
else /* 父進(jìn)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: %p\n", 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-memory\n");
}
system("ipcs -m");
waitpid(pid, NULL, 0);
printf("Finished\n");
}
exit(0);
}
下面是運行結(jié)果，從該結(jié)果中可以看出，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(jìn)程中進(jìn)行共享內(nèi)存的地址映射后共享內(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(jìn)程中解除共享內(nèi)存的映射關(guān)系后共享內(nèi)存的情況 */
------ Shared Memory Segments --------
key shmid owner perms bytes nattch status
0x00000000 753665 david 666 2048 1
/* 在子進(jìn)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(jìn)程中解除共享內(nèi)存的映射關(guān)系后共享內(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)存后共享內(nèi)存的情況 */
------ Shared Memory Segments --------
key shmid owner perms bytes nattch status
Finished
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