详细解释linux进程通讯共享内存机制

核心提示：一)概念:1)Linux和所有的UNIX操作系统都允许通过共享内存在应用程序之间共享存储空间.2)有两类基本的API函数用于在进程间共享内存:System v和POSIX.3)这两类函数上使用相同的原则,核心思想就是任何要被共享的内存都必须经过显示的分配.4)因为所有进程共享同一块内存,共享内存在各种进程间通信方式中具

一)概念:

1)Linux和所有的UNIX操作系统都允许通过共享内存在应用程序之间共享存储空间.

2)有两类基本的API函数用于在进程间共享内存:System v和POSIX.

3)这两类函数上使用相同的原则,核心思想就是任何要被共享的内存都必须经过显示的分配.

4)因为所有进程共享同一块内存,共享内存在各种进程间通信方式中具有最高的效率.

5)内核没有对访问共享内存进行同步,所以必须提供自己的同步措施,比如数据在写入之前,不允许其它进程对其进行读写.我们这里用wait来解决这个问题.

二)POSIX共享内存API

1)函数shm_open和shm_unlink非常类似于为普通文件所提供的open和unlink系统调用.

2)如果要编写一个可移植的程序,那么shm_open和shm_unlink是最好的选择.

3)shm_open:创建一个新的共享区域或者附加在已有的共享区域上.区域被其名字标识,函数返回各文件的描述符.

4)shm_unlink:类似于unlink系统调用对文件进行操作,直到所有的进程不再引用该内存区后才对其进行释放.

5)mmap:用于将一个文件映射到某一内存区中,其中也使用了shm_open函数返回的文件描述符.

6)munmap:用于释放mmap所映射的内存区域.

7)msync:同步存取一个映射区域并将高速缓存的数据回写到物理内存中,以便其他进程可以监听这些改变.

源程序1

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

void error_out(const char *msg)

{

perror(msg);

exit(EXIT_FAILURE);

}

int main (int argc, char *argv[])

{

int r;

const char *memname = "/mymem";

const size_t region_size = sysconf(_SC_PAGE_SIZE);

int fd = shm_open(memname, O_CREAT|O_TRUNC|O_RDWR, 0666);

if (fd == -1)

error_out("shm_open");

r = ftruncate(fd, region_size);

if (r != 0)

error_out("ftruncate");

void *ptr = mmap(0, region_size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);

if (ptr == MAP_FAILED)

error_out("MMAP");

close(fd);

pid_t pid = fork();

if (pid == 0){

u_long *d = (u_long *)ptr;

*d = 0xdeadbeef;

exit(0);

}

else{

int status;

waitpid(pid, &status, 0);

printf("child wrote %#lx\n", *(u_long *)ptr);

}

sleep(50);

r = munmap(ptr, region_size);

if (r != 0)

error_out("munmap");

r = shm_unlink(memname);

if (r != 0)

error_out("shm_unlink");

return 0;

}

编译:

gcc -o postix-shm postix-shm.c -lrt

./postix-shm

child wrote 0xdeadbeef

等50秒后,程序退出.

程序分析:

1)程序执行shm_open函数创建了共享内存区域,此时会在/dev/shm/创建mymem文件.

2)通过ftruncate函数改变shm_open创建共享内存的大小为页大小(sysconf(_SC_PAGE_SIZE)),如果不执行ftruncate函数的话,会报Bus error的错误.

3)通过mmap函数将创建的mymem文件映射到内存.

4)通过fork派生出子进程,而共享区域映射通过fork调用而被继承.

5)程序通过wait系统调用来保持父进程与子进程的同步.

6)在非父子进程也可以通过共享内存区域的方式进行通讯.

Linux共享内存的实现依赖于共享内存文件系统,该文件系统通常装载在/dev/shm,在调用shm_open系统函数的时候,会在/dev/shm/目录下生成mymem文件.

而后程序调用shm_unlink删除mymem,这里如果卸载掉/dev/shm挂载点会怎么样呢?

查看分区信息

df -h

Filesystem Size Used Avail Use% Mounted on

/dev/sda1 19G 973M 17G 6% /

tmpfs 253M 0 253M 0% /lib/init/rw

udev 10M 88K 10M 1% /dev

tmpfs 253M 0 253M 0% /dev/shm

卸载/dev/shm

umount /dev/shm/

./posix-shm &

child wrote 0xdeadbeef

[1] 15476

ls -l /dev/shm/mymem

-rw-r--r-- 1 root root 4096 2010-10-26 14:25 /dev/shm/mymem

我们看到shm_open只是在/dev/shm下创建文件.而不管/dev/shm是否是用tmpfs类型挂载的分区.

如果删除/dev/shm呢?

rmdir /dev/shm

再次执行posix-shm

./posix-shm &

child wrote 0xdeadbeef

此时程序找不到/dev/shm,而在/dev/目录下建立共享内存文件

ls -l /dev/mymem

-rw-r--r-- 1 root root 4096 2010-10-26 14:29 /dev/mymem

三)System V共享内存 API

1)System V API广泛应用于X windows系统及其扩展版本中,许多X应用程序也使用它.

2)shmget:创建一个新的共享区域或者附加在已有的共享区域上(同shm_open).

3)shmat:用于将一个文件映射到内存区域中(同mmap).

4)shmdt:用于释放所映射的内存区域(同munmap)

5)shmctl:对于多个用户,断开其对共享区域的连接(同shm_unlink)

源程序2:

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#include

void error_out(const char *msg)

{

perror(msg);

exit(EXIT_FAILURE);

}

int main (int argc, char *argv[])

{

key_t mykey = 12345678;

const size_t region_size = sysconf(_SC_PAGE_SIZE);

int smid = shmget(mykey, region_size, IPC_CREAT|0666);

if(smid == -1)

error_out("shmget");

void *ptr;

ptr = shmat(smid, NULL, 0);

if (ptr == (void *) -1)

error_out("shmat");

pid_t pid = fork();

if (pid == 0){

u_long *d = (u_long *)ptr;

*d = 0xdeadbeef;

exit(0);

}

else{

int status;

waitpid(pid, &status, 0);

printf("child wrote %#lx\n", *(u_long *)ptr);

}

sleep(30);

int r = shmdt(ptr);

if (r == -1)

error_out("shmdt");

r = shmctl(smid, IPC_RMID, NULL);

if (r == -1)

error_out("shmdt");

return 0;

}

gcc sysv-shm.c -o sysv-shm -lrt

./sysv-shm

child wrote 0xdeadbeef

程序分析:

1)shmget函数使用的key_t变量在功能上等价于shm_open使用的文件名,由shmget返回的smid在功能上等价于shm_open返回的文件描述符.

2)不同于POSIX API所创建的内存区,System V API创建的内存区在任何文件系统中都是不可见的.

3)可以用ipcs管理System V API共享内存.