进程间通信之共享内存概念篇

共享内存区是最快的可用IPC形式。它允许多个不相关的进程去访问同一部分逻辑内存。如果需要在两个运行中的进程之间传输数据,共享内存将是一种效率极高的解决方案。一旦这样的内存区映射到共享它的进程的地址空间,这些进程间数据的传输就不再涉及内核。这样就可以减少系统调用时间,提高程序效率

共享内存是由IPC为一个进程创建的一个特殊的地址范围,它将出现在进程的地址空间中。其他进程可以把同一段共享内存段“连接到”它们自己的地址空间里去。所有进程都可以访问共享内存中的地址。如果一个进程向这段共享内存写了数据,所做的改动会立刻被有访问同一段共享内存的其他进程看到。

共享内存本身没有提供任何同步功能,共享内存的访问同步问题必须由程序员负责.

 

mmap 函数

#include <sys/mman.h>

功能:将文件或者设备空间映射到共享内存区。
原型 void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
参数
addr: 要映射的起始地址,通常指定为NULL,让内核自动选择
len:映射到进程地址空间的字节数
prot:映射区保护方式
flags:标志
fd:文件描述符
offset:从文件头开始的偏移量,必须是页大小的整数倍(在32位体系统结构上通常是4K)
返回值:成功返回映射到的内存区的起始地址;失败返回-1

 

prot 参数取值:

PROT_EXEC 表示映射的这一段可执行,例如映射共享库

PROT_READ 表示映射的这一段可读

PROT_WRITE 表示映射的这一段可写

PROT_NONE 表示映射的这一段不可访问

 

flag参数有很多种取值,这里只讲两种,其它取值可查看mmap(2)

MAP_SHARED 多个进程对同一个文件的映射是共享的,一个进程对映射的内存做了修改,另一个进程也会看到这种变化。

MAP_PRIVATE 多个进程对同一个文件的映射不是共享的,一个进程对映射的内存做了修改,另一个进程并不会看到这种变化,也不会真的写到文件中去。

 

如果mmap成功则返回映射首地址,如果出错则返回常数MAP_FAILED。当进程终止时,该进程的映射内存会自动解除,也可以调用munmap解除映射:

功能:取消mmap函数建立的映射
原型 int munmap(void *addr, size_t len);
参数
addr: 映射的内存起始地址
len:映射到进程地址空间的字节数
返回值:成功返回0;失败返回-1

 

System V共享内存历史悠久,一般的UNIX系统上都有这套机制;而POSIX共享内存机制接口更加方便易用,一般是结合内存映射mmap使用

mmap和System V共享内存的主要区别在于:

sysv shm是持久化的,除非被一个进程明确的删除,否则它始终存在于内存里,直到系统关机;

mmap映射的内存在不是持久化的,如果进程关闭,映射随即失效,除非事先已经映射到了一个文件上。

内存映射机制mmap是POSIX标准的系统调用,有匿名映射和文件映射两种。

匿名映射使用进程的虚拟内存空间,它和malloc(3)类似,实际上有些malloc实现会使用mmap匿名映射分配内存,不过匿名映射不是POSIX标准中规定的。

文件映射有MAP_PRIVATE和MAP_SHARED两种。前者使用COW的方式,把文件映射到当前的进程空间,修改操作不会改动源文件。后者直接把文件映射到当前的进程空间,所有的修改会直接反应到文件的page cache,然后由内核自动同步到映射文件上。

相比于IO函数调用,基于文件的mmap的一大优点是把文件映射到进程的地址空间,避免了数据从用户缓冲区到内核page cache缓冲区的复制过程;当然还有一个优点就是不需要频繁的read/write系统调用。

由于接口易用,且可以方便的persist到文件,避免主机shutdown丢失数据的情况,所以在现代操作系统上一般偏向于使用mmap而不是传统的System V的共享内存机制。

Posix 共享内存

功能:用来创建或打开一个共享内存对象
原型 int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);
参数
name:共享内存对象的名字,必须以/打头,并且后续不能有其它/ ,形如/somename长度不能超过NAME_MAX(255)
oflag:与open函数类似,可以是O_RDONLY、O_RDWR,还可以按位或上O_CREAT、O_EXCL、O_TRUNC等。
mode:此参数总是需要设置,如果oflag没有指定了O_CREAT,可以指定为0
返回值:成功返回非负整数文件描述符;失败返回-1

注意,不存在所谓的shm_close 函数,可以直接使用close 来关闭文件描述符。

功能:修改共享内存对象大小,shm_open不像shmget一样可以设置共享内存的大小,但可以使用ftruncate 设置大小。
原型 int ftruncate(int fd, off_t length);
参数
fd: 文件描述符
length:长度
返回值:成功返回0;失败返回-1

 

功能:获取共享内存对象信息
原型int fstat(int fd, struct stat *buf);
参数
fd: 文件描述符
buf:返回共享内存状态
返回值:成功返回0;失败返回-1

struct stat 可以参考这里

类似 shmctl(, IPC_STAT,);

 

功能:删除一个共享内存对象
原型 int shm_unlink(const char *name);
参数
name: 共享内存对象的名字
返回值:成功返回0;失败返回-1

shm_unlink 类似 shmctl(, IPC_RMID, );

 

功能:将共享内存对象映射到进程地址空间。
原型 void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
参数
addr: 要映射的起始地址,通常指定为NULL,让内核自动选择
len:映射到进程地址空间的字节数
prot:映射区保护方式
flags:标志
fd:文件描述符
offset:从文件头开始的偏移量
返回值:成功返回映射到的内存区的起始地址;失败返回-1

前面曾经介绍了mmap 函数 将文件映射到进程地址空间的作用,其实它还可以将共享内存对象映射到进程地址空间,类似shmat的作用,只是传入的文件描述符fd 是shm_open 返回的。同样地,解除映射可以用munmap,类似shmdt 的作用。

 

System V 共享内存

消息队列一样,共享内存也有自己的数据结构,如下:

struct shmid_ds {
struct ipc_perm shm_perm;    /* Ownership and permissions */
size_t      shm_segsz;   /* Size of segment (bytes) */
time_t      shm_atime;   /* Last attach time */
time_t      shm_dtime;   /* Last detach time */
time_t      shm_ctime;   /* Last change time */
pid_t     shm_cpid;    /* PID of creator */
pid_t     shm_lpid;    /* PID of last shmat(2)/shmdt(2) */
shmatt_t      shm_nattch;  /* No. of current attaches */

};

 

同样地,第一个成员是共有的IPC内核数据结构,其余是私有成员。

 

以下是几个共享内存函数:

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
int shmdt(const void *shmaddr);
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

 

功能:用来创建共享内存
原型 int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
参数
key:这个共享内存段名字
size:共享内存大小
shmflg:由九个权限标志构成,它们的用法和创建文件时使用的mode模式标志是一样的
返回值:成功返回一个非负整数,即该共享内存段的标识码;失败返回-1

 

功能:将共享内存段连接到进程地址空间
原型
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
参数
shmid: 共享内存标识
shmaddr:指定连接的地址
shmflg:它的两个可能取值是SHM_RND和SHM_RDONLY
返回值:成功返回一个指针,指向共享内存第一个字节;失败返回-1

 

shmaddr为NULL,核心自动选择一个地址
shmaddr不为NULL且shmflg无SHM_RND标记,则以shmaddr为连接地址。
shmaddr不为NULL且shmflg设置了SHM_RND标记,则连接的地址会自动向下调整为SHMLBA的整数倍。

公式:shmaddr – (shmaddr % SHMLBA)
shmflg=SHM_RDONLY,表示连接操作用来只读共享内存

 

功能:将共享内存段与当前进程脱离
原型 int shmdt(const void *shmaddr);
参数
shmaddr: 由shmat所返回的指针
返回值:成功返回0;失败返回-1
注意:将共享内存段与当前进程脱离不等于删除共享内存段

 

功能:用于控制共享内存
原型 int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
参数
shmid:由shmget返回的共享内存标识码
cmd:将要采取的动作(有三个可取值)
buf:指向一个保存着共享内存的模式状态和访问权限的数据结构
返回值:成功返回0;失败返回-1

cmd 的取值如下,与消息队列类似:

IPC_STAT 把shmid_ds结构中的数据设置为共享内存的当前关联值
IPC_SET 在进程有足够权限的前提下,把共享内存的当前关联值设置为shmid_ds数据结构中给出的值
IPC_RMID 删除共享内存段

 

 

 

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