【操作系统】进程间的通信——共享内存

13

进程间的通信-共享内存

共享内存机制

共享内存机制是允许两个或多个进程(不相关或有亲缘关系)访问同一逻辑内存的机制。它是共享和传递数据的一种非常有效的方式。不同进程之间共享的内存通常安排为同一段物理内存。

两种常用的共享内存方式

  • System V版本的共享内存 shmm

    • 多进程直接共享内存

  • 文件映射mmap

    • 如果一个文件需要频繁进行读写，那么将它映射到内存中。

    • 将特殊文件进行匿名内存映射，为有关联的进程提供共享内存空间。

    • 为无关联的进程提供共享内存空间，将一个普通文件映射到内存中。

System V版本的共享内存 shmm

原理:

利用共享内存完成进程间通信，两个进程都可以通过虚拟地址空间到用户页表，然后通过用户级页表映射到物理内存的相同一块内存区域。

image-20220824183601419

共享内存的使用

ftok

  • 作用:创建一个唯一的key,来标识一块共享内存。(用不用都行)
  • 函数原型:key_t ftok(const char *pathname,int proj_id)
  • 参数：使用下面两个创建一个唯一的key
    • pathname:
    • proj_id:
  • 返回值:返回一个key。

shmget

  • 作用:创建一个共享内存块，返回这个共享内存块的标识符shmid。

  • 函数原型:int shmget(key_t key,size_t size,int shmflg)

  • 参数说明:

    • key:由ftok函数生成。
    • size:申请的共享内存的大小，为4k的整数倍。因为x86系列的cpu在linux系统下面基本上，内存也都是以4kb为单位。
    • shmflg:权限标识。详见-shmget(2) — Linux manual page
      • IPC_CREAT:不存在则创建。
      • IPC_EXCL:与IPC_CREAT一起使用，若以存在则创建失败。

  • 返回值:返回创建的这个共享内存块的标识符shmid

  • 相关参考

shmat

  • 作用:挂接共享内存，将共享内存挂接到当前进程的地址空间，即允许本进程访问一块共享内存。

  • 函数原型:void shmat(int shmid,const void shmaddr, int shmflg)

  • 参数:

    • shmid:挂接的共享内存ID，由shmget函数获得。
    • shmaddr: 一般为0，表示连接到由内核选择的第一个可用地址上。
    • shmflg:标记，一般为0。

  • 返回值:

    • 指向内存地址的指针。

  • 相关参考:

shmdt

  • 作用:取消共享内存映射
  • 函数原型:int shmdt(const void *shmaddr);
  • 参数:
    • shmaddr:由shmat返回的指向内存的指针。
  • 返回值:
    • 成功，则返回0
    • 失败，则返回-1，并设置errno。
  • 相关参考:

shmctl

  • 作用: 用于控制共享内存。
  • 函数原型:int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
  • 参数: 详见shmctl(2) - Linux man page
    • shmid:共享内存标识码，由shmget获取的。
    • cmd:将要采取的动作（可取值:IPC_STAT、IPC_SET、IPC_RMID...）。
    • buf:指向着一个保存着共享内存的模式状态和访问权限的数据结构。
  • 相关参考:
示例

shmwrite.c

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

struct Conn_stat{
    int count;
    char ip[64];
};

int main(void){

    void *shm = NULL;
    int shmid = 0;//存储共享内存的标识
    struct Conn_stat stat = {0,"127.0.0.1"};

    //创建共享内存
    shmid = shmget((key_t)1234,sizeof(struct Conn_stat),0666 | IPC_CREAT);
    if(shmid == -1){
        fprintf(stderr, "shmget failed\n");
        exit(1);
    }
    //将共享内存挂接到当前进程的地址空间
    shm = shmat(shmid,(void*)0,0);
    if(shm == (void*)-1){
        fprintf(stderr, "shmat failed\n");
        exit(2);
    }
    printf("Memory attached at %p\n", shm);
    //设置共享内存
    struct Conn_stat *p = (struct Conn_stat*)shm;
    memcpy(p,&stat,sizeof(struct Conn_stat));
    //修改共享内存中的数据
    int i = 0;
    while((i++) < 50){
        p->count++;
        sleep(1);
    }
    //把共享内存从当前进程中分离
    if(shmdt(shm) == -1){
        fprintf(stderr, "shmdt failed\n");
        exit(3);
    }
    return 0;
}

shmread.c

#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

struct Conn_stat{
    int count;
    char ip[64];

};

int main(void){

    void *shm = NULL;//分配的共享内存的原始首地址
    struct Conn_stat *stat = NULL;
    int shmid;//共享内存标识符
    //创建共享内存
    shmid = shmget((key_t)1234, sizeof(struct Conn_stat), 0666|IPC_CREAT);
    if(shmid == -1){
        fprintf(stderr, "shmget failed\n");
        exit(0);
    }
    //将共享内存挂接到当前当前进程的地址空间
    shm = shmat(shmid, 0, 0);
    if(shm == (void*)-1){
        fprintf(stderr, "shmat failed\n");
        exit(1);
    }
    printf("\nMemory attached at %p\n", shm);
    //设置共享内存
    stat = (struct Conn_stat*)shm;
    int i = 0;
    while((i++) < 10){
        printf("ip = %s ,count: %d\t\t\n", stat->ip, stat->count);  
        sleep(1);
    }
    //把共享内存从当前进程中分离
    if(shmdt(shm) == -1){
        fprintf(stderr, "shmdt failed\n");
        exit(2);
    }
    //删除共享内存
    if(shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1){
        fprintf(stderr, "shmctl(IPC_RMID) failed, reason: %s\n",strerror(errno));
        exit(3);
    }
    return 0;   
}

image-20220825090353811

存储映射共享I/O mmap

原理:

将一个普通文件或者其它对象映射进内存。

  • 使用普通文件提供的内存映射。
  • 使用特殊文件提供匿名内存映射。

image-20220825101107429

使用

mmap

  • 作用:mmap是一种内存映射文件的方法，即将一个文件或者其它对象映射到进程的地址空间，实现文件磁盘地址和进程虚拟地址空间中一段虚拟地址的一一对映关系。
  • 函数原型: void mmap(void addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset);
  • 参数:
    • addr:指向欲映射的内存起始地址，通常设为NULL，代表让系统自动选定地址，映射成功后返回该地址。
    • length:将文件中多大的部分映射到内存。
    • prot:映射区域的保护方式。可以为以下几种方式的组合:
      • PROT_EXEC:执行
      • PROT_READ:读取
      • PROT_WRITE:写入
      • PROT_NONE:不能存取
    • flags:影响映射区域的各种特性。
      • MAP_SHARED:映射区域数据与文件对应，允许其他进程共享。
      • MAP_PRIVATE:映射区域生成文件的copy，修改不同步文件。
      • MAP_ANONYMOUS:建立匿名映射。此时会忽略参数fd，不涉及文件，而且映射区域无法和其他进程共享。
      • MAP_DENYWRITE:允许对映射区域的写入操作，其他对文件直接写入的操作将会被拒绝。
      • MAP_LOCKED:将映射区域锁定住，这表示该区域不会被置swap。
    • fd: 要映射到内存中的文件描述符。
      • 如果使用匿名内存映射时，即flags中设置了MAP_ANONYMOUS，fd设为-1。
      • 有些系统不支持匿名内存映射，则可以使用fopen打开/dev/zero文件，然后对该文件进行映射，可以同样达到匿名内存映射的效果。
    • offset：文件映射的偏移量，通常设置为0。
      • 代表从文件最前方开始对应，offset必须是分页大小的整数倍。
  • 返回值:
    • 成功:返回指向映射区域的指针。
    • 失败:MAP_FAILED,其值为(void *)-1,并设置errno。
  • 相关参考:

munmap

  • 作用:解除映射。
  • 函数原型: int munmap(void *addr, size_t length);　
  • 参数:
    • addr: 由mmap返回的地址。
    • length:映射区的大小。
  • 返回值:
    • 成功:返回0。
    • 失败:返回-1,并设置errno。
  • 相关参考:
示例

map_write.c

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

struct Conn_stat{
    int count;
    char ip[64];
};

//这个进程创建映射区进行写
int main(int argc,char* argv[]){
    if(argc != 2){
        printf("Usage: %s  file.\n",argv[0]);
        exit(1);
    }
    struct Conn_stat stat =  {0,"127.0.0.1"};
    //打开文件
    int fd = open(argv[1],O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,0644);
    if(fd<0){
        perror("open");
        exit(2);
    }
    //将文件截断为第二个参数这么大
    ftruncate(fd,sizeof(struct Conn_stat)); 
    //创建一个结构体大小的共享映射区。共享映射区我们可以当做数组区看待。
    struct Conn_stat *p = (struct Conn_stat*)mmap(NULL,sizeof(struct Conn_stat),PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
    if(p == MAP_FAILED){
        perror("mmap");
        exit(3);
    }
    close(fd);//关闭不用的文件描述符
    memcpy(p,&stat,sizeof(struct Conn_stat));
    while(p->count < 30){
        p->count++;
        sleep(1);
    }
    //解除映射
    int ret = munmap(p,sizeof(struct Conn_stat));
    if(ret < 0){
        perror("mmumap");
        exit(4);
    }

    return 0;
}

map_read.c

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

struct Conn_stat{   
    int count;
    char ip[64];
};

int main(int argc,char *argv[]){
    if(argc != 2){
        printf("Usage: %s  file.\n",argv[0]);
        exit(1);
    }
    //打开文件-只读，注意与写中的参数不同
    int fd = open(argv[1],O_RDONLY,0644);
    if(fd < 0){
        perror("open");
        exit(2);
    }

    struct Conn_stat stat;
    //注意与写中的参数不同
    struct Conn_stat *p = (struct Conn_stat*)mmap(NULL,sizeof(struct Conn_stat),PROT_READ,MAP_SHARED,fd,0);
    if(p == MAP_FAILED){
        perror("mmap");
        exit(3);
    }
    close(fd);
    int i = 0;
    while((i++) < 10){
        printf("ip = %s ,count: %d\t\t\n",p->ip,p->count);  
        sleep(1);
    }
    //接触映射
    int ret = munmap(p,sizeof(stat));
    if(ret < 0){
        perror("mmumap");
        exit(4);
    }
    return 0;
}

image-20220825112012906