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linux 进程间通信 --- 共享内存（POSIX 版本）

发布时间 2023-12-17 18:08:28作者: 流水灯

POSIX 进程间通信

POSIX 进程间通信 (Interprocess Communication, IPC) 是 System V 进程间通信的变体。它是在 Solaris 7 发行版中引入的。与 System V 对象类似，POSIX IPC 对象的属主、属主的组以及其他用户具有读取和写入权限，但是没有执行权限。POSIX IPC 对象的属主无法将对象分配给其他属主。POSIX IPC 包括以下功能：

  • 消息允许进程将已格式化的数据流发送到任意进程。

  • 信号量允许进程同步执行。

  • 共享内存允许进程共享其部分虚拟地址空间。

与 System V IPC 接口不同，POSIX IPC 接口均为多线程安全接口。

POSIX 共享内存涉及的内存映射函数

mmap 函数

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。

//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 函数

 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。

msync 函数

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

POSIX 共享内存其他相关函数

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
};

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

例子1：进程同步使用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\n", 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。

例子2：进程同步使用posix无名信号量

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"

struct Shared
{
    sem_t mutex;
    int count;
};

#endif

server.c

#include "common.h"

int main()
{
    struct Shared *ptr;
    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_init(&ptr->mutex, 1, 1);

    pause();

    return 0;
}

client.c

#include "common.h"

int main(int argc, char **argv)
{
    struct Shared *ptr;
    struct stat buf;
    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);

    //共享内存中的mutex已由server初始化，client直接使用就可以了，不能重复初始化
    nloop = atoi(argv[1]);

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

    return 0;
}

输出同例子1。