Posix共享内存

1. 概述

共享内存是可用IPC机制中最快的，一旦共享内存区映射到共享它的进程地址空间：

进程间的数据传递就不再执行需进入内核的系统调用
各个进程向共享内存读写数据往往需要某种形式的同步
这些进程间的同步通常使用Posix有名信号量或无名信号量

对比下面两张图所展示的例子：

不使用共享内存，需要4次内核和进程-用户空间的数据拷贝
使用共享内存，只需要2次内核空间-用户空间的数据拷贝

2. mmap、munmap和msync函数

mmap

mmap函数把一个文件或一个Posix共享内存对象映射到调用进程的地址空间，使用该函数有三个目的：

使用普通文件以提供内存映射IO
使用特殊文件以提供匿名内存映射
使用Posix共享内存对象以提供Posix共享内存区

//成功返回映射内存的起始地址，失败返回MAP_FAILED
void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

mmap参数解析：

addr指定映射内存的起始地址，通常设为NULL，让内核自己决定起始地址
len是被映射到调用进程地址空间中的字节数，它从被映射文件fd开头起第offset个字节处开始算，offset通常设为0，下图展示了这个映射关系
prot指定对映射内存区的保护，通常设为PROT_READ | PROT_WRITE
flags必须在MAP_SHARED和MAP_PRIVATE这两个标志中选择指定一个，进程间共享内存需要使用MAP_SHARED
可移植的代码应把addr设为NULL，并且flags不指定MAP_FIXED

prot	说明	flags	说明
PROT_READ	数据可读	MAP_SHARED	变动是共享的
PROT_WRITE	数据可写	MAP_PRIVATE	变动是私有的
PROT_EXEC	数据可执行	MAP_FIXED	准确地解释addr参数
PROT_NONE	数据不可访问

mmap成功返回后，可以关闭fd，这对已建立的映射关系没有影响。
注意，不是所有文件都能进行内存映射，例如终端和套接字就不可以。

munmap

mmap建立的映射关系通过munmap删除，其中addr是mmap返回的地址，len是映射区的大小，同mmap的参数len。

//成功返回0，失败返回-1
int munmap(void *addr, size_len);

msync

默认情况下，内核采用虚拟内存算法保持内存映射文件与内存映射区的同步，前提是指定了MAP_SHARED标志，但这种同步可能不是立即生效的，而是在随后某个时间进行。
但有时候我们修改完数据并进行下一步操作之前，需要确认数据已经同步完成，这时可调用msync函数。

//成功返回0，失败返回-1
int msync(void *addr, size_t len, int flags);

其中addr和len含义同munmap，flags使用下表中的常值，其中MS_ASYNC和MS_SYNC这两个常值中必须选择指定一个。

flags	说明
MS_ASYNC	执行异步写，msync立即返回
MS_SYNC	执行同步写，msync等同步完成才返回
MS_INVALIDATE	使高速缓存的数据失效

3. 内存映射IO

内存映射IO是父子进程之间共享内存区的一种方法，父进程fork前以MAP_SHARED方式调用mmap，其建立的内存映射关系会被子进程继承。
我们使用这个方法，来实现以下功能：

父子进程通过内存映射IO共享一片内存
父子进程共同给共享内存区中的一个计数器持续加1

父子进程同步——Posix有名信号量

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <semaphore.h>
#include <sys/mman.h>

#define MMAP_FILE   "/home/delphi/mmap_file"
#define SEM_PATH    "/sem_mmap"

struct Shared
{
    int count;
};

int main(int argvc, char **argv)
{
    struct Shared shared;
    struct Shared *ptr; //mmap返回指针类型结构和映射文件数据结构需要一致
    sem_t *mutex;       //因为是进程间同步，不能用互斥锁，因此使用二值信号量模拟互斥锁
    int fd;
    int i;

    fd = open(MMAP_FILE, O_CREAT | O_RDWR, 0666);
    memset(&shared, 0, sizeof(shared));
    write(fd, &shared, sizeof(shared)); //将映射文件内容初始化为0
    ptr = mmap(NULL, sizeof(shared), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    close(fd);

    mutex = sem_open(SEM_PATH, O_CREAT, 0666, 1); //二值信号量模拟互斥锁，初始值必须为1
    sem_unlink(SEM_PATH);

    setbuf(stdout, NULL); //设置标准输出为无缓冲

    if (fork() == 0)
    {
        for (i = 0; i < 10; i++)
        {
            sem_wait(mutex);
            printf("child: %d
", ptr->count);
            ptr->count++;
            sem_post(mutex);
        }

        exit(0);
    }

    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        sem_wait(mutex);
        printf("parent: %d
", ptr->count);
        ptr->count++;
        sem_post(mutex);
    }

    return 0;
}

该示例代码使用Posix有名信号量来同步父子进程，共享内存区中仅有一个4字节计数器，信号量不在共享内存区中。

父子进程同步——Posix无名信号量

将上面这份代码修改一下，改为使用建立在共享内存区中的Posix无名信号量同步父子进程，示意图如下图所示。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <semaphore.h>
#include <sys/mman.h>

#define MMAP_FILE   "/home/delphi/mmap_file"

struct Shared
{
    sem_t mutex;
    int count;
};

int main(int argvc, char **argv)
{
    struct Shared shared;
    struct Shared *ptr; //mmap返回指针类型结构和映射文件数据结构需要一致
    int fd;
    int i;

    fd = open(MMAP_FILE, O_CREAT | O_RDWR, 0666);
    memset(&shared, 0, sizeof(shared));
    write(fd, &shared, sizeof(shared)); //将映射文件内容初始化为0
    ptr = mmap(NULL, sizeof(shared), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    close(fd);

    sem_init(&ptr->mutex, 1, 1);    //Posix无名信号量建立在ptr指向的共享内存中
    setbuf(stdout, NULL);          //设置标准输出为无缓冲

    if (fork() == 0)
    {
        for (i = 0; i < 10; i++)
        {
            sem_wait(&ptr->mutex);
            printf("child: %d
", ptr->count);
            ptr->count++;
            sem_post(&ptr->mutex);
        }

        exit(0);
    }

    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        sem_wait(&ptr->mutex);
        printf("parent: %d
", ptr->count);
        ptr->count++;
        sem_post(&ptr->mutex);
    }

    sem_destroy(&ptr->mutex);

    return 0;
}

4. 匿名内存映射

在上面展示的内存映射IO示例代码中，可以看出编码的前两步都是：

调用open创建一个普通文件
调用write将文件内容初始化为0

如果仅仅是用于父子进程共享内存，可以使用匿名内存映射来避免文件的显式创建打开以及初始化，其办法是：

mmap调用时，flags设为MAP_SHARED | MAP_ANON，fd设为-1，offset设为0即可
匿名内存映射保证这样的内存区初始化为0

把基于Posix无名信号量的示例代码改为匿名内存映射，可以看出，fork前的准备工作明显简化了许多。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <semaphore.h>
#include <sys/mman.h>

struct Shared
{
    sem_t mutex;
    int count;
};

int main(int argvc, char **argv)
{
    struct Shared *ptr;
    int i;

    ptr = mmap(NULL, sizeof(struct Shared), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANON, -1, 0);
    sem_init(&ptr->mutex, 1, 1);
    setbuf(stdout, NULL);

    if (fork() == 0)
    {
        for (i = 0; i < 10; i++)
        {
            sem_wait(&ptr->mutex);
            printf("child: %d
", ptr->count);
            ptr->count++;
            sem_post(&ptr->mutex);
        }

        exit(0);
    }

    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        sem_wait(&ptr->mutex);
        printf("parent: %d
", ptr->count);
        ptr->count++;
        sem_post(&ptr->mutex);
    }

    sem_destroy(&ptr->mutex);

    return 0;
}

5. Posix共享内存

前面讲的都是在父子进程间使用共享内存的技术，现在把共享内存区的概念扩展到任意进程之间，Posix.1提供了两种在任意进程间共享内存区的方法。

内存映射IO：该方法其实也可以用于无亲缘关系进程间共享内存
Posix共享内存：这是Posix IPC的第三种机制

这两种技术都需要调用mmap，区别在于mmap参数fd的获取手段：

内存映射IO通过open获得
Posix共享内存通过shm_open获得

shm_open和shm_unlink函数

shm_open用于创建一个新的Posix共享内存对象或打开一个已存在的Posix共享内存对象。
shm_unlink用于从系统中删除一个Posix共享内存对象。

//成功返回非负描述符，失败返回-1
int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);

//成功返回0，失败返回-1
int shun_unlink(const char *name);

shm_open参数说明：

oflag参数不能设置O_WRONLY标志
和mq_open、sem_open不同，shm_open的mode参数总是必须指定，当指定了O_CREAT标志时，mode为用户权限位，否则将mode设为0

shm_open的返回值是一个描述符，它随后用作mmap的第五个参数fd。

ftruncate和fstat函数

处理mmap的时候，普通文件或Posix共享内存对象的大小都可以通过调用ftruncate设置。

#include <unistd.h>

//成功返回0，失败返回-1
int ftruncate(int fd, off_t length):

对于普通文件，若文件长度大于length，额外的数据会被丢弃；若文件长度小于length，则扩展文件大小到length
对于Posix共享内存对象，ftruncate把该对象的大小设置成length字节

我们调用ftruncate来指定新创建的Posix共享内存对象大小，或者修改已存在的Posix共享内存对象大小。

创建新的Posix共享内存对象时指定大小是必须的，否则访问mmap返回的地址会报bus error错误
当打开一个已存在的Posix共享内存对象时，可以调用fstat来获取该对象的信息

#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>

//成功返回0，失败返回-1
int fstat(int fd, struct stat *buf);

stat结构有12个或以上的成员，然而当fd指代一个Posix共享内存对象时，只有四个成员含有信息：

struct stat
{
    mode_t st_mode;  //用户访问权限
    uid_t  st_uid;   //user id of owner
    gid_t  st_gid;   //group id of owner
    off_t  st_size;  //文件大小
};

6. Posix共享内存示例代码

示例代码包括一个.h文件和两个.c文件：

common.h定义server和client共同使用的信息
server.c创建并初始化Posix共享内存对象，以及同步需要的信号量
client.c打开Posix共享内存对象，然后给共享内存中的计数器加1

进程同步——Posix有名信号量

common.h

#ifndef _COMMON_H_
#define _COMMON_H_

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <semaphore.h>
#include <sys/mman.h>

#define SHM_FILE    "/shm_file"
#define SEM_PATH    "/sem_mmap"

struct Shared
{
    int count;
};

#endif

server.c

#include "common.h"

int main()
{
    struct Shared *ptr;
    sem_t *mutex;
    int fd;

    shm_unlink(SHM_FILE);
    fd = shm_open(SHM_FILE, O_RDWR | O_CREAT, 0666);
    ftruncate(fd, sizeof(struct Shared));
    ptr = mmap(NULL, sizeof(struct Shared), PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    close(fd);

    sem_unlink(SEM_PATH);
    mutex = sem_open(SEM_PATH, O_CREAT, 0666, 1);
    sem_close(mutex);

    pause();

    return 0;
}

client.c

#include "common.h"

int main(int argc, char **argv)
{
    struct Shared *ptr;
    struct stat buf;
    sem_t *mutex;
    int fd;
    int nloop;
    int i;

    fd = shm_open(SHM_FILE, O_RDWR, 0);
    fstat(fd, &buf);
    ptr = mmap(NULL, buf.st_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    close(fd);

    mutex = sem_open(SEM_PATH, 0);
    nloop = atoi(argv[1]);

    for (i = 0; i < nloop; i++)
    {
        sem_wait(mutex);
        printf("pid %d: %d
", getpid(), ptr->count++);
        sem_post(mutex);
    }

    return 0;
}

编译并启动server，阻塞在pasue()中。

后台同时运行三个client进程。

截取进程切换时的部分输出片段，可以看到切换后计数依然是连续的。

进程同步——Posix无名信号量