處理序間通訊---共用記憶體

處理序間通訊---共用記憶體

進程間的通訊方式我們都熟悉，管道（具名管道）、訊號（signal）、共用記憶體、訊息佇列、通訊端（socket），關於訊號量個人認為應該歸為進程間的同步機制裡。
下面我們就說說共用記憶體的通訊方式。 它是IPC中最快的。一旦記憶體區映射到共用它的進程的地址空間，這些進程間資料的傳遞就不在涉及核心。但是存取資料的時候需要保持同步. 關於共用記憶體權威的參考資料為《unix網路編程卷2》. 在前面我們講解了mmap的核心機制，在posix v的共用記憶體的方式就是這個原理。system v也類似，只不過對介面進行了封裝.
我們先從posix v的方式開始說起，它常用的函數介面:
open/shm_open + mmap 、munmap、msync、shm_unlink等.
既然是open那麼就會對應檔案，當然並不是所有的檔案都可以映射.這裡支援的檔案類型：
1 .普通的磁碟檔案
2. 裝置檔案（除去一些特殊的檔案）
3.記憶體檔案 （例如tmpfs）
4. 匿名映射 (主要用在具有親緣關係的進程間)
先說一下常用的匿名映射，直接open /dev/zero保證映射地區都初始化為0 的匿名映射。 還有可以直接用mmap來映射，而不用開啟任何檔案：

mmap( NULL,size_of_map,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED | MAP_ANON, -1,0 );

這裡提示一下mmap的函數原型：

void* mmap(void* start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset);

匿名映射主要區別是flags 裡多了一個 MAP_ANON標誌，和fd傳遞的為-1. 關於更多mmap的資料請自行查詢.
下面說一下一般mmap方式的共用記憶體需要注意的：
映射的記憶體地區大小和檔案大小，記憶體映射的大小都是頁面的整數倍（PAGESIZE 4096預設） 比如檔案大小為5000，映射了5000 ，那麼可以訪問2*PAGESIZE的記憶體地區，但是大於5000的記憶體寫不會同步到檔案裡。這個記憶體可以訪問的大小跟檔案大小也是有關係的。映射的時候會自動檢查底層的支援即檔案的大小. 但是我們知道mmap的方式的優點就是可以動態改變檔案的大小，函數介面為ftruncate和fstat. 具體用法參考unix網路編程卷2.

下面就簡單總結下它的 特點：
1. 可以隨時改變其大小
操作函數介面：ftruncate 和fstat
2. 必須先建立開啟一個檔案為基礎 ，這個檔案可以是磁碟檔案 或者記憶體檔案比如tmpfs下的檔案；如果共用記憶體的配置需要寫入到磁碟 ，可以選擇開啟磁碟檔案。如果在嵌入式裡用一般會把flash一個檔案作為映射 ，既然需要頻繁的操作檔案 和磁碟讀寫 所以建議還是用shm。 畢竟flash頻繁讀寫影響壽命和容易出現壞塊。

而system v的方式不需要明確的open檔案，但是函數操作介面比較多.
函數介面： shmget、shmat、shmdt、shmctl等。
shm方式有些限制：
shmax 一個共用記憶體區的最大位元組數 （具體系統不太一樣）
shmmnb 一個共用記憶體區的最小位元組數 1
shmmni 系統範圍最大共用記憶體區標識數 128
shmseg 每個進程附接的最大共用記憶體區數 32
這些資訊可以通過proc檔案系統來查看。cat /proc/sys/kernel/shmmax 等. 具體查看映射的記憶體區 可以通過ipcs命令來查看和操作.

我們也總結下它的特點：
1.不需要建立和開啟檔案
2. 如果是多處理序間通訊，需要統一 一個key標示 。動態產生的不一定一致。
3.讀寫的速度高於mmap的方式
4. 共用記憶體空間不能太大，畢竟直接佔用記憶體空間.
不論哪種方式，都會涉及多進程間的通訊、資料互動什麼的，那麼就必須保持互斥和同步，這裡最常用的方式是採用訊號量的方式.
訊號量的介面：sem_init、sem_wait、sem_post. 由於用了訊號量編譯的時候會需要連結線程庫 -lpthread.
下面就具體程式碼範例看看它們的具體用法：
posix v方式：
1. 初始化，之後進入迴圈不停的寫，周期為1s。

#include  
#include  
#include  
#include  
#include 


#define  CLUSTER_SHARED_FILE "/tmp/cluster_share"

typedef struct{ 
char name[4]; 
int age; 
}people; 

struct stu {

sem_t  mutex;
people s[10];

};

struct stu  t;

main(int argc, char** argv) // map a normal file as shared mem: 
{ 
int fd,i; 
struct stu *p_map; 
char temp; 

fd=open(CLUSTER_SHARED_FILE,O_CREAT|O_RDWR|O_TRUNC,00777); 
lseek(fd,sizeof(t)-1,SEEK_SET); 
write(fd,"",1); 

p_map = (struct stu *) mmap( NULL,sizeof(t),PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0 ); 
close(fd); 
temp = 'a';
sem_init(&p_map->mutex,1,1);
int j=0;
while(1)
{
j++;
 printf("j 1\n");
 sem_wait(&p_map->mutex);
 printf("j 2\n");
for(i=1; i<10; i++) 
{ 
// temp += 1; 
 
memcpy(p_map->s[i].name, &temp,2 ); 
p_map->s[i].age = p_map->s[i].age +20+i+j; 
} 
printf("j 3\n");
sem_post(&p_map->mutex);
printf("j 4\n");
  sleep(1);
}
printf(" initialize over \n "); 
sleep(50); 
munmap( p_map, sizeof(t) ); 
printf( "umap ok \n" ); 
}

2. 讀取操作：

#include  
#include  
#include  
#include  

#include  

#include 

#define  CLUSTER_SHARED_FILE "/tmp/cluster_share"

typedef struct{ 
char name[4]; 
int age; 
}people; 

struct stu {

sem_t  mutex;
people  s[10];
};

struct stu t;

main(int argc, char** argv) // map a normal file as shared mem: 
{ 
int fd,i; 
struct stu *p_map; 
char temp; 

fd=open(CLUSTER_SHARED_FILE,O_CREAT|O_RDWR,00777); 
// lseek(fd,sizeof(people)*5-1,SEEK_SET); 
// write(fd,"",1); 

p_map = (struct stu *) mmap( NULL,sizeof(t),PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0 ); 
 close( fd ); 

 while(1)
{
sleep(1);
printf("2.....s\n");
sem_wait(&p_map->mutex);
printf("2.....\n");
for(i=0; i<10; i++) 
{ 
printf("name:%s,age:%d\n",p_map->s[i].name,p_map->s[i].age); 

} 
printf("2.....0\n");
sem_post(&p_map->mutex);
printf("2.......1");
}
munmap( p_map, sizeof(t)); 
printf( "umap ok \n" ); 
}

至於並非的寫操作，程式稍微修改一下就可以測試. 多並發沒有問題.
system V的方式，雖然介面不太一樣，但是也很類似。
1. 初始化

#include  
#include  
#include  
#include  
#include  
#include 

//#include "shmdata.h" 




#define TEXT_SZ 2048 

struct shared_use_st 
{ 
sem_t  mutex;
int written;//作為一個標誌，非0：表示可讀，0表示可寫 
char text[TEXT_SZ];//記錄寫入和讀取的文本 
int cnt;
}; 


int main() 
{ 
int running = 1; 
void *shm = NULL; 
struct shared_use_st *shared = NULL; 
char buffer[4096]="hello world"; 
int shmid;
int i=0;
//建立共用記憶體 
#if 0
//刪除共用記憶體 
if(shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1) 
{ 
fprintf(stderr, "shmctl(IPC_RMID) failed\n"); 
exit(EXIT_FAILURE); 
}
#endif 
shmid = shmget((key_t)12345, sizeof(struct shared_use_st), 0666|IPC_CREAT); 
if(shmid == -1) 
{ 
fprintf(stderr, "shmget failed\n"); 
exit(EXIT_FAILURE); 
} 
//將共用記憶體串連到當前進程的地址空間 
shm = shmat(shmid, (void*)0, 0); 
if(shm == (void*)-1) 
{ 
fprintf(stderr, "shmat failed\n"); 
exit(EXIT_FAILURE); 
} 
printf("Memory attached at %X\n", (int)shm); 
//設定共用記憶體 
shared = (struct shared_use_st*)shm;
sem_init(&shared->mutex,1,1);

while(running)//向共用記憶體中寫資料 
{ 
strncpy(shared->text, buffer, TEXT_SZ); 

sem_wait(&shared->mutex);
//shared->cnt = 0;
shared->cnt = shared->cnt +i;
sem_post(&shared->mutex);
i++;
shared->written = 1;

sleep(1);
} 
//把共用記憶體從當前進程中分離 
if(shmdt(shm) == -1) 
{ 
fprintf(stderr, "shmdt failed\n"); 
exit(EXIT_FAILURE); 
} 
sleep(2); 
exit(EXIT_SUCCESS); 
}

2. 讀取操作

#include  
#include  
#include  
#include  
//#include "shmdata.h" 
#include 




#define TEXT_SZ 2048 

struct shared_use_st 
{ 
sem_t mutex;
int written;//作為一個標誌，非0：表示可讀，0表示可寫 
char text[TEXT_SZ];//記錄寫入和讀取的文本
int cnt;
}; 

int main() 
{ 
int running = 1;//程式是否繼續啟動並執行標誌 
void *shm = NULL;//分配的共用記憶體的原始首地址 
struct shared_use_st *shared;//指向shm 
int shmid;//共用記憶體標識符 
//建立共用記憶體 
shmid = shmget((key_t)12345, sizeof(struct shared_use_st), 0666); 
if(shmid == -1) 
{ 
fprintf(stderr, "shmget failed\n"); 
exit(EXIT_FAILURE); 
} 
//將共用記憶體串連到當前進程的地址空間 
shm = shmat(shmid, 0, 0); 
if(shm == (void*)-1) 
{ 
fprintf(stderr, "shmat failed\n"); 
exit(EXIT_FAILURE); 
} 
printf("\nMemory attached at %X\n", (int)shm); 
//設定共用記憶體 
shared = (struct shared_use_st*)shm; 
// shared->written = 0; 
while(running)//讀取共用記憶體中的資料 
{ 

sem_wait(&shared->mutex);
printf("text:%s,cnt:%d\n",shared->text,shared->cnt);
sem_post(&shared->mutex);
sleep(1);


} 
//把共用記憶體從當前進程中分離 
if(shmdt(shm) == -1) 
{ 
fprintf(stderr, "shmdt failed\n"); 
exit(EXIT_FAILURE); 
} 
#if 0
//刪除共用記憶體 
if(shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1) 
{ 
fprintf(stderr, "shmctl(IPC_RMID) failed\n"); 
exit(EXIT_FAILURE); 
}
#endif 
exit(EXIT_SUCCESS); 
}

整體的用法還算比較簡單. 也很高效方便.