Linux进程间通信-共享内存

继前三篇分析了进程间通信机制管道，命名管道（FIFO），消息队列后，本文将介绍最后一种进程间通信机制，也是进程间通信机制效率最高的一种-共享内存

1、共享内存

考虑前三种进程间通信机制，一个客户-服务器文件复制程序将设计到一下步骤：

（1）服务器从输入文件读取。该文件的数据由内核读入自己的内存空间，然后从内核复制到服务器进程。

（2）服务器往管道、FIFO和消息队列以一条消息的形式写入这些数据。这些IPC形式需要把进程中的数据复制到内核。

（3）客户端从这些IPC通道中读取数据，需要把内核数据复制到进程的地址空间。

（4）客户端将进程空间内的数据再写入内核，由内核写入文件。

 这些IPC形式的问题在于，共享数据需要多次经过内核。

共享内存的方式是让同一块物理内存被映射到进程A、B各自的进程地址空间。进程A可以即时看到进程B对共享内存中数据的更新，反之亦然。由于多个进程共享同一块内存区域，必然需要某种同步机制（Linux同步的机制系列文章）。同样是上面的例子，共享内存只需经过如下 流程：

这种形式的通信数据只需复制两次：一次从输入文件到共享内存，另一次是从共享内存到输出文件。

2、共享内存基本操作

2.1 打开/创建一个共享内存对象

#include <sys/mman.h>

int shm_open(const char* name, int oflag, mode_t mode);

成功返回非负描述符，若失败返回-1

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/mman.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    int flag = O_RDWR | O_CREAT | O_EXCL;
    int mode = S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH;
    int fd = 0;
    fd = shm_open("/shm_test", flag, mode);
    if (-1 == fd)
    {
        printf("open shm failed!
");
        return 1;
    }
    ftruncate(fd, 1024);

    mmap(NULL,1024,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
    return 0;
}

2.2 删除一个共享对象的名字

#include <sys/mman.h>

int shm_unlink(const char* name);

成功返回0，失败返回-1

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/mman.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    shm_unlink("/shm_test");
    return 0;
}

2.3 ftruncate 和 fstat

处理mmap的时候，普通文件或共享内存对象的大小可以通过ftruncate函数修改：

#include <unistd.h>

int ftruncate(int fd, off_t length);

成功返回0，出错返回-1

当打开一个已存在的共享内存区对象时，我们可调用fstat来获取有关该对象的信息：

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

int fstat(int fd, struct stat* stat);

成功返回0，失败返回-1

对于普通文件stat结构可以获得12个以上的成员信息，然而当fd指代一个共享内存区对象时，只有四个成员含有信息。

struct stat{

...

mode_t st_mode;

uid_t st_uid;

gid_t st_gid;

off_t st_size;

};

 2.4 共享内存的读写

read端代码如下：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/mman.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    int flag = O_RDONLY;
    int mode = S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH;
    int fd = 0;
    unsigned char* ptr, c;
    fd = shm_open("/shm_test", flag, mode);
    if (-1 == fd)
    {
        printf("open shm failed!
");
        return 1;
    }
    struct stat stat; 
    fstat(fd,&stat);
    ptr = mmap(NULL, stat.st_size, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
    close(fd);

    for (int i = 0; i < stat.st_size; i++)
    {
        if((c = *ptr++) != (i%256))
        {
            printf("read error!
");
            exit(-1);
        }
        else{
            printf("%c
",c);
        }
    }

    return 0;
}

write端代码如下：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/mman.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    int flag = O_RDWR;
    int mode = S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH;
    int fd = 0;
    unsigned char* ptr, c;
    fd = shm_open("/shm_test", flag, mode);
    if (-1 == fd)
    {
        printf("open shm failed!
");
        return 1;
    }
    struct stat stat; 
    fstat(fd,&stat);
    ptr = mmap(NULL, stat.st_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    close(fd);

    for (int i = 0; i < stat.st_size; i++)
    {
        *ptr++ = i % 256;
        printf("write %d
",i);
    }
    return 0;
}

这里与mqueue不同的是，read端读取的时候并不会阻塞等待，如果没有提前write内容到共享内存里，read读取到的内容为空。

3、共享内存的起始地址

同一共享内存区对象映射到不同进程的地址空间，起始地址可以不一样。

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/mman.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/wait.h>
#include <errno.h> 
#include <string.h>

int main(int argc, char* argv[])
{
    int fd1,fd2;
    unsigned char *ptr1, *ptr2;
    pid_t pid;
    int mode = S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH;
    fd1 = shm_open("/shm_test",O_RDWR,mode);
    if (fd1 == -1)
    {
        printf("Message : %s
", strerror(errno)); 
        return 1;
    }

    struct stat stat;
    fstat(fd1, &stat);

    fd2 = open("/dev/shm/shm_test1",O_RDWR | O_CREAT,mode);
    if (fd2 == -1)
    {
        printf("Message : %s
", strerror(errno)); 
        return 1;
    }
    
    pid = fork();
    if (pid == 0)
    {
        ptr2 = mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd2,0);
        ptr1 = mmap(NULL, 1024, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd1, 0);
        printf("child: shm ptr=%p, mmf ptr=%p
",ptr1, ptr2);
        sleep(5);
        printf("share memory integer:%d", *ptr1);
    }
    else if (pid > 0)
    {
        ptr1 = mmap(NULL, 1024, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd1, 0);
        ptr2 = mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd2,0);
        printf("parent: shm ptr=%p, mmf ptr=%p
",ptr1, ptr2);
        *ptr1 = 128;
        waitpid(0, NULL, 0);
    }
    else{
        
    }

    return 0;
}

 代码运行结果如下：

可见，在不同的进程中，相同的共享内存区对象起始地址可以不一样。