五十、进程间通信——System V IPC 之共享内存

50.1 共享内存

50.1.1 共享内存的概念

• 共享内存区域是被多个进程共享的一部分物理内存
• 多个进程都可把该共享内存映射到自己的虚拟内存空间。所有用户空间的进程若要操作共享内存，都要将其映射到自己虚拟内存空间中，通过映射的虚拟内存空间地址去操作共享内存，从而达到进程间的数据通信
• 共享内存是进程间共享数据的一种最快的方法，一个进程向共享内存区域写入了数据，共享这个内存区域的所有进程就可以立刻看到其中的内容
• 本身不提供同步机制，可通过信号量进行同步
• 提升数据处理效率，一种效率最高的 IPC 机制

　　

50.1.2 共享内存的映射

　　

50.1.3 共享内存的属性

　　

50.1.4 共享内存使用步骤

• 使用 shmget 函数创建共享内存
• 使用 shmat 函数映射共享内存，将这段创建的共享内存映射到具体的进程虚拟内存空间

50.1.5 创建共享内存

　　

• 函数参数
  • key：用户指定的共享内存键值
  • size：共享内存大小
  • shmflg：IPC_CREAT、IPC_EXCL 等权限组合
• 返回值：
  • 如果成功，返回内核中共享内存的标识 ID。如果失败，返回 -1
  • errno：
    • EINVAL：无效的内存段大小
    • EEXIST：内存段已经存在，无法创建
    • EIDRM：内存段已经被删除
    • ENOENT：内存段不存在
    • EACCES：权限不够
    • ENOMEM：没有足够的内存来创建内存段

50.1.6 共享内存控制函数

　　

• 函数参数：
  • shmid：共享内存 ID
  • cmd：
    • IPC_STAT：获取共享内存段属性
    • IPC_SET：设置共享内存段属性
    • IPC_RMID：删除共享内存段
    • SHM_LOCK：锁定共享内存段页面（页面映射到物理内存，不和外存进行换入换出操作）
    • SHM_UNLOCK：解除共享内存段页面的锁定
  • buf：共享内存属性指针
• 返回值：成功返回 0，出错返回 -1

50.1.7 共享内存的映射和解除映射

　　

• 函数参数：
  • shmid：共享内存 ID
  • shmaddr：映射到进程虚拟内存空间的地址，建议设置为 0，由操作系统分配
  • shmflg：若 shmaddr 设置为 0，则 shmflag 也设置为 0
    • SHM_RND
    • SHMLBA：地址为 2 的乘方
    • SHM_RDONLY：只读方式链接
• 返回值：
  • shmat：成功，则返回共享内存映射到进程虚拟内存空间的地址；失败，则返回 -1
  • shmdt：如果失败，则返回 -1
  • errno：
    • EINVAL：无效的 IPC ID 值或者无效的地址
    • ENOMEM：没有足够的内存
    • EACCES：存取权限不够
• 函数说明：
  • 子进程不继承父进程创建的共享内存，大家是共享的。子进程继承父进程映射的地址

50.2 例子

50.2.1 共享内存常规操作--单向同步

　　tell.h

 #ifndef __TELL_H
 #define __TELL_H

 /** 管道初始化 */
 extern void init();

 /** 利用管道进行等待 */
 extern void wait_pipe();

 /** 利用管道进行通知 */
 extern void notify_pipe();

 /** 销毁管道 */
 extern void destroy_pipe();

 #endif

　　tell.c

 #include <stdlib.h>
 #include <stdio.h>
 #include <string.h>
 #include <unistd.h>
 #include "tell.h"

 static int fd[];

 /** 管道初始化 */
 void init()
 {
     if(pipe(fd) < ) {
         perror("pipe error");
     }
 }

 /** 利用管道进行等待 */
 void wait_pipe()
 {
     char c;

     /** 管道读写默认是阻塞性的 */
     if(read(fd[], &c, ) < ){
         perror("wait pipe error");
     }
 }

 /** 利用管道进行通知 */
 void notify_pipe()
 {
     char c = 'c';
     if(write(fd[], &c, ) != ){
         perror("notify pipe error");
     }
 }

 /** 销毁管道 */
 void destroy_pipe()
 {
     close(fd[]);
     close(fd[]);
 }

　　cal_shm.c

 #include <sys/shm.h>
 #include <sys/ipc.h>
 #include <sys/types.h>
 #include <sys/wait.h>
 #include <unistd.h>
 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <string.h>
 #include "tell.h"

 int main(void)
 {
     /** 创建共享内存 */
     int shmid;
     if((shmid = shmget(IPC_PRIVATE, , IPC_CREAT | IPC_EXCL | )) < ){
         perror("shmget error");
         return ;
     }

     pid_t pid;
     init(); ///< 初始化管道
     if((pid = fork()) < 0){
         perror("fork error");
         return ;
     }
     else if(pid > ){
         /** 进行共享内存映射 */
         int *pi = (int *)shmat(shmid, , );
         if(pi == (int *)-){
             perror("shmat error");
             return ;
         }

         /** 往共享内存中写入数据（通过操作映射的地址即可） */
         *pi = ;
         *(pi + ) = ;

         /** 操作完毕解除共享内存的映射 */
         shmdt(pi);

         /** 通知子进程去读取数据 */
         notify_pipe();

         destroy_pipe();

         wait();
     }
     else{
         /** 子进程阻塞，等待父进程先往共享内存中写入数据 */
         wait_pipe();

         /** 子进程读取共享内存中的数据 */
         /** 子进程进行共享内存的映射 */
         int *pi = (int *)shmat(shmid, , );
         if(pi == (int *)-){
             perror("shmat error");
             return ;
         }
         printf("start: %d, end: %d\n", *pi, *(pi + ));

         /** 读取完毕后解除映射 */
         shmdt(pi);

         /** 删除共享内存 */
         shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);

         destroy_pipe();

     }

     return ;
 }

　　编译运行如下：

　　

50.2.2 进程间互斥案例---银行账户（ATM）

　　

　　atm_account.h

 #ifndef __ATM_ACCOUNT_H__
 #define __ATM_ACCOUNT_H__

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

 /** 账户信息 */
 typedef struct {
     int         code;       ///< 银行账户的编码
     double      balance;    ///< 账户余额
 }atm_Account;

 /** 取款 */
 extern double atm_account_Withdraw(atm_Account *account, double amt);
 /** 存款 */
 extern double atm_account_Desposit(atm_Account *account, double amt);
 /** 查看账户余额 */
 extern double atm_account_BalanceGet(atm_Account *account);

 #endif

　　atm_account.c

 #include "atm_account.h"

 /** 取款: 成功，则返回取款金额 */
 double atm_account_Withdraw(atm_Account *account, double amt)
 {
     if(NULL == account) {
         return 0.0;
     }

     if(amt <  || amt > account->balance) {
         return 0.0;
     }

     double balance_tmp = account->balance;
     sleep();
     balance_tmp -= amt;
     account->balance = balance_tmp;

     return amt;
 }

 /** 存款: 返回存款的金额 */
 double atm_account_Desposit(atm_Account *account, double amt)
 {
     if(NULL == account){
         return 0.0;
     }

     if(amt < ){
         return 0.0;
     }

     double balance_tmp = account->balance;
     sleep();
     balance_tmp += amt;
     account->balance = balance_tmp;

     return amt;
 }

 /** 查看账户余额 */
 double atm_account_BalanceGet(atm_Account *account)
 {
     if(NULL == account){
         return 0.0;
     }

     double balance_tmp = account->balance;

     return balance_tmp;
 }

　　atm_handler.h

 #ifndef __ATM_HANDLER_H__
 #define __ATM_HANDLER_H__

 #include "atm_account.h"
 #include <sys/wait.h>
 #include <sys/shm.h>
 #include <sys/ipc.h>
 #include <stdio.h>
 #include <stdlib.h>
 #include <string.h>

 typedef enum {
     ATM_ERROR_NONE,
     ATM_ERROR_ACCOUNT_CREATE
 }atm_error_t;

 /** 账户操作结构体 */
 typedef struct {
     char            name[];   ///< 操作人的姓名
     atm_Account     *account;   ///< 操作的账户
     double          amt;        ///< 操作的金额
 }atm_handler_t;

 extern atm_error_t atm_handler_main(void);

 #endif

　　atm_handler.c

 #include "atm_handler.h"

 /** 账户操作主函数 */
 atm_error_t atm_handler_main(void)
 {
     /** 在共享内存中创建银行账户 */
     int shmid;
     if((shmid = shmget(IPC_PRIVATE, sizeof(atm_Account), IPC_CREAT | IPC_EXCL | )) < ) {
         perror("shmget error");
         return ;
     }

     /** 进程共享内存映射 */
     atm_Account *a = (atm_Account *)shmat(shmid, , );
     if(a == (atm_Account *)-){
         perror("shmat error");
         return ;
     }
     a->code = ;
     a->balance = ;
     printf("balance: %f\n", a->balance);

     pid_t pid;
     if((pid = fork()) < ){
         perror("fork error");
         return ;
     }
     else if(pid > ){
         /** 父进程执行取款操作 */
         double amt = atm_account_Withdraw(a, );
         printf("pid %d withdraw %f form code %d\n", getpid(), amt, a->code);
         wait();
         /** 对共享内存的操作要在解除映射之前 */
         printf("balance: %f\n", a->balance);
         shmdt(a);
     }
     else {
         /** 子进程也执行取款操作 */
         double amt = atm_account_Withdraw(a, );
         printf("pid %d withdraw %f form code %d\n", getpid(), amt, a->code);
         shmdt(a);
     }

     return ATM_ERROR_NONE;
 }

　　atm_test.c

 #include "atm_handler.h"

 int main(void)
 {
     atm_handler_main();
     return ;
 }

　　Makefile

 #PROJECT_ROOT = $(dir $(abspath $(lastword $(MAKEFILE_LIST))))
 PROJECT_ROOT = $(shell pwd)
 SRC_DIR = $(PROJECT_ROOT)/src
 INCLUDE_DIR = $(PROJECT_ROOT)/include
 OBJ_DIR = $(PROJECT_ROOT)/obj
 BIN_DIR = $(PROJECT_ROOT)/bin

 # 找出 src 目录下的所有 .c 文件
 C_SRCS = $(wildcard $(SRC_DIR)/*.c)
 # 将所有的 src 下的 .c 文件替换为 .o 文件
 C_OBJS = $(patsubst %c, %o, $(C_SRCS))
 TARGET = test
 SHARE_LIB = libatm.a

 C_SRC_MAIN = atm_test.c

 CC = gcc
 CCFLAGS += fPIC
 LDFLAGS += -shared -fPIC
 ASFLAGS +=
 ARFLAGS = -crs
 LIBS_FLAGS = -L$(BIN_DIR)

 RM = rm -rf

 CFLAGS += -Wall -g -I$(INCLUDE_DIR)
 INCDIR += -I$(INCLUDE_DIR)

 .PHONY: all clean test

 all: $(TARGET)
     cp $(SHARE_LIB) $(BIN_DIR)
     cp $(SRC_DIR)/*.o $(OBJ_DIR)/
     $(RM) $(SHARE_LIB) $(SRC_DIR)/*.o

 $(TARGET): $(SHARE_LIB)
     $(CC) $(C_SRC_MAIN) -o $(TARGET) $(CFLAGS) $(INCDIR) $(LIBS_FLAGS) -latm

 $(SHARE_LIB): $(C_OBJS)
     $(AR) $(ARFLAGS) $(SHARE_LIB) $(C_OBJS)
     cp $(SHARE_LIB) $(BIN_DIR)

 $(C_OBJS) : %.o:%.c
     $(CC) -c $(CFLAGS) $(INCDIR) -o $@ $<

 clean:
     $(RM) mshell
     $(RM) $(SHARE_LIB)
     $(RM) $(OBJ_DIR)/$(OBJS)/*.o
     $(RM) $(SRC_DIR)/*.o

　　编译执行结果如下：

　　

　　两个账户都取款到 10000元，那是因为我们当前在共享内存的操作没有做互斥，下一节将添加互斥。