Linux进程间通信（信号量，共享内存）（转）

一. 信号量　　

l信号量: 解决进程之间的同步与互斥的IPC机制

多个进程同时运行，之间存在关联

　　•同步关系

　　•互斥关系

互斥与同步关系存在的根源在于临界资源

　　•临界资源是在同一个时刻只允许有限个（通常只有一个）进程可以访问（读）或修改（写）的资源

　　　　–硬件资源（处理器、内存、存储器以及其他外围设备等）

　　　　–软件资源（共享代码段，共享结构和变量等）

　　•临界区，临界区本身也会成为临界资源

 

 

一个称为信号量的变量

　　•信号量对应于某一种资源，取一个非负的整型值

　　•信号量值指的是当前可用的该资源的数量，若它等于0则意味着目前没有可用的资源

在该信号量下等待资源的进程等待队列

对信号量进行的两个原子操作(PV操作)

　　•P操作

　　•V操作

 

最简单的信号量是只能取0 和1 两种值，叫做二维信号量

 

编程步骤：

　　创建信号量或获得在系统已存在的信号量

　　　　•调用semget()函数

　　　　•不同进程使用同一个信号量键值来获得同一个信号量

　　初始化信号量

　　　　•使用semctl()函数的SETVAL操作

　　　　•当使用二维信号量时，通常将信号量初始化为1

　　进行信号量的PV操作

　　　　•调用semop()函数

　　　　•实现进程之间的同步和互斥的核心部分

　　如果不需要信号量，则从系统中删除它

　　　　•使用semclt()函数的IPC_RMID操作

　　　　•在程序中不应该出现对已被删除的信号量的操作

 

 eg. 通过对信号量PV操作，消除父子进程间的竞争条件，使得其调用顺序可控。

union semun {
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *array;
};

// 将信号量sem_id设置为init_value
int init_sem(int sem_id,int init_value) {
    union semun sem_union;
    sem_union.val=init_value;
    if (semctl(sem_id,0,SETVAL,sem_union)==-1) {
        perror("Sem init");
        exit(1);
    }
    return 0;
}
// 删除sem_id信号量
int del_sem(int sem_id) {
    union semun sem_union;
    if (semctl(sem_id,0,IPC_RMID,sem_union)==-1) {
        perror("Sem delete");
        exit(1);
    }
    return 0;
}
// 对sem_id执行p操作
int sem_p(int sem_id) {
    struct sembuf sem_buf;
    sem_buf.sem_num=0;//信号量编号
    sem_buf.sem_op=-1;//P操作
    sem_buf.sem_flg=SEM_UNDO;//系统退出前未释放信号量，系统自动释放
    if (semop(sem_id,&sem_buf,1)==-1) {
        perror("Sem P operation");
        exit(1);
    }
    return 0;
}
// 对sem_id执行V操作
int sem_v(int sem_id) {
    struct sembuf sem_buf;
    sem_buf.sem_num=0;
    sem_buf.sem_op=1;//V操作
    sem_buf.sem_flg=SEM_UNDO;
    if (semop(sem_id,&sem_buf,1)==-1) {
        perror("Sem V operation");
        exit(1);
    }
    return 0;
}

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#include "sem_com.c"

#define DELAY_TIME 3

int main() {
    pid_t pid;
//    int sem_id;
//    key_t sem_key;

//    sem_key=ftok(".",'a');
//    以0666且create mode创建一个信号量，返回给sem_id
//    sem_id=semget(sem_key,1,0666|IPC_CREAT);
//    将sem_id设为1
//    init_sem(sem_id,1);

    if ((pid=fork())<0) {
        perror("Fork error!\n");
        exit(1);
    } else if (pid==0) {
//        sem_p(sem_id); //    P操作
        printf("Child running...\n");
        sleep(DELAY_TIME);
        printf("Child %d,returned value:%d.\n",getpid(),pid);
//        sem_v(sem_id); //    V操作
        exit(0);
    } else {
//        sem_p(sem_id); //    P操作
        printf("Parent running!\n");
        sleep(DELAY_TIME);
        printf("Parent %d,returned value:%d.\n",getpid(),pid);
//        sem_v(sem_id); //    V操作
//        waitpid(pid,0,0);
//        del_sem(sem_id);
        exit(0);
    }

}

在以上程序注释//未去掉时，即没用信号量机制时，其结果为：

显然，此处存在竞争条件。

在以上程序注释//去掉后，即使用信号量机制，其结果为：

由于父子进程采用同一信号量且均执行各自PV操作，故必先等一个进程的V操作后，另一个进程才能工作。

二. 共享内存

最为高效的进程间通信方式

 

进程直接读写内存，不需要任何数据的拷贝

　　•为了在多个进程间交换信息，内核专门留出了一块内存区

　　•由需要访问的进程将其映射到自己私有地址空间

　　•进程直接读写这一内存区而不需要进行数据的拷贝，提高了效率

 

多个进程共享一段内存，需要依靠某种同步机制，如互斥锁和信号量等

l共享内存编程步骤：

　　1. 创建共享内存

　　　　•函数shmget()

　　　　•从内存中获得一段共享内存区域

 

　　2. 映射共享内存

　　　　•把这段创建的共享内存映射到具体的进程空间中

　　　　•函数shmat()

 

　　3. 使用这段共享内存

　　　　•可以使用不带缓冲的I/O读写命令对其进行操作

 

　　4. 撤销映射操作: 函数shmdt()

 

　　5. 删除共享内存: 函数shctl()

 

eg. 下面这个例子完成：父进程从stdin读取字符串并保存到共享内存中，子进程从共享内存中读出数据并输出到stdout

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

#define BUFFER_SIZE 2048

int main() {
    pid_t pid;
    int shmid;
    char *shm_addr;
    char flag[]="Parent";
    char buff[BUFFER_SIZE];
//    创建当前进程的私有共享内存
    if ((shmid=shmget(IPC_PRIVATE,BUFFER_SIZE,0666))<0) {
        perror("shmget");
        exit(1);
    } else 
        printf("Create shared memory: %d.\n",shmid);

//    ipcs 命令往标准输出写入一些关于活动进程间通信设施的信息
//    -m 表示共享内存
    printf("Created shared memory status:\n");
    system("ipcs -m");

    if((pid=fork())<0) {
        perror("fork");
        exit(1);
    }else if (pid==0) {
//    自动分配共享内存映射地址，为可读可写，映射地址返回给shm_addr
        if ((shm_addr=shmat(shmid,0,0))==(void*)-1) {
            perror("Child:shmat");
            exit(1);
        }else
            printf("Child: Attach shared-memory: %p.\n",shm_addr);

        printf("Child Attach shared memory status:\n");
        system("ipcs -m");
//    比较shm_addr,flag的长度为strlen(flag)的字符
//    当其内容相同时，返回0
//    否则返回（str1[n]-str2[n]）
        while (strncmp(shm_addr,flag,strlen(flag))) {
            printf("Child: Waiting for data...\n");
            sleep(10);
        }

        strcpy(buff,shm_addr+strlen(flag));
        printf("Child: Shared-memory: %s\n",buff);
//    删除子进程的共享内存映射地址
        if (shmdt(shm_addr)<0) {
            perror("Child:shmdt");
            exit(1);
        }else
            printf("Child: Deattach shared-memory.\n");

        printf("Child Deattach shared memory status:\n");
        system("ipcs -m");

    }else{
        sleep(1);
//    自动分配共享内存映射地址，为可读可写，映射地址返回给shm_addr
        if ((shm_addr=shmat(shmid,0,0))==(void*)-1) {
            perror("Parent:shmat");
            exit(1);
        }else
            printf("Parent: Attach shared-memory: %p.\n",shm_addr);

        printf("Parent Attach shared memory status:\n");
        system("ipcs -m");
//    shm_addr为flag+stdin
        sleep(1);
        printf("\nInput string:\n");
        fgets(buff,BUFFER_SIZE-strlen(flag),stdin);
        strncpy(shm_addr+strlen(flag),buff,strlen(buff));
        strncpy(shm_addr,flag,strlen(flag));
//    删除父进程的共享内存映射地址
        if (shmdt(shm_addr)<0) {
            perror("Parent:shmdt");
            exit(1);
        }else
            printf("Parent: Deattach shared-memory.\n");

        printf("Parent Deattach shared memory status:\n");
        system("ipcs -m");
//    保证父进程在删除共享内存前，子进程能读到共享内存的内容        
        waitpid(pid,NULL,0);
//    删除共享内存
        if (shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL)==-1) {
            perror("shmct:IPC_RMID");
            exit(1);
        }else
            printf("Delete shared-memory.\n");

        printf("Child Delete shared memory status:\n");
        system("ipcs -m");

        printf("Finished!\n");
    }
    
    exit(0);
}