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Eine effiziente Methode für die Linux-Interprozesskommunikation: die Verwendung von Shared Memory

王林nach vorne: 2024-02-11 19:00:131175Durchsuche

Im Folgenden wird eine andere Möglichkeit der Kommunikation zwischen Prozessen erläutert, bei der Shared Memory verwendet wird.

1. Was ist Shared Memory? Wie der Name schon sagt, ermöglicht Shared Memory zwei unabhängigen Prozessen den Zugriff auf denselben logischen Speicher. Shared Memory ist eine sehr effiziente Möglichkeit, Daten zwischen zwei laufenden Prozessen zu teilen und zu übertragen. Der von verschiedenen Prozessen gemeinsam genutzte Speicher wird normalerweise als dasselbe Segment des physischen Speichers angeordnet. Prozesse können dasselbe Segment des gemeinsam genutzten Speichers mit ihrem eigenen Adressraum verbinden, und alle Prozesse können auf Adressen im gemeinsam genutzten Speicher zugreifen, als ob ihnen Speicher mithilfe der C-Sprachfunktion malloc zugewiesen worden wäre. Und wenn ein Prozess Daten in den gemeinsam genutzten Speicher schreibt, wirken sich die Änderungen sofort auf alle anderen Prozesse aus, die auf dasselbe Segment des gemeinsam genutzten Speichers zugreifen können.

Linux 进程间通信的一种高效方法：使用共享内存 Besonderer Hinweis: Der gemeinsam genutzte Speicher bietet keinen Synchronisierungsmechanismus. Das heißt, bevor der erste Prozess mit dem Schreiben in den gemeinsam genutzten Speicher fertig ist, gibt es keinen automatischen Mechanismus, der verhindert, dass der zweite Prozess mit dem Lesen beginnt. Daher müssen wir normalerweise andere Mechanismen verwenden, um den Zugriff auf den gemeinsam genutzten Speicher zu synchronisieren, beispielsweise das zuvor erwähnte Semaphor. Weitere Informationen zu Semaphoren finden Sie in meinem anderen Artikel: Linux-Interprozesskommunikation – Verwendung von Semaphoren

2. Die Nutzung von Shared Memory

Linux bietet wie Semaphoren auch eine Reihe funktionaler Schnittstellen für die Nutzung des gemeinsam genutzten Speichers. Die Schnittstellen, die die gemeinsame Koexistenz nutzen, sind denen von Semaphoren sehr ähnlich und einfacher als diejenigen, die Semaphoren verwenden. Sie werden in der Header-Datei sys/shm.h deklariert.

1. shmget-Funktion

Diese Funktion wird zum Erstellen eines gemeinsamen Speichers verwendet. Ihr Prototyp ist:

shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

zurück

Nicht verwandte Prozesse können über den Rückgabewert dieser Funktion auf denselben gemeinsam genutzten Speicher zugreifen, der eine Ressource darstellt, die das Programm verwenden kann. Der Zugriff des Programms auf den gesamten gemeinsam genutzten Speicher erfolgt indirekt. Das Programm ruft zunächst die Funktion shmget auf und stellt einen Schlüssel bereit Anschließend generiert das System einen entsprechenden Shared-Memory-Bezeichner (den Rückgabewert der shmget-Funktion). Nur die shmget-Funktion verwendet direkt den Semaphorschlüssel, und alle anderen Semaphorfunktionen verwenden den von der semget-Funktion zurückgegebenen Semaphorbezeichner.

Der zweite Parameter, Größe, gibt die gemeinsam zu nutzende Speicherkapazität in Bytes an

Der dritte Parameter, shmflg, ist das Berechtigungsflag. Seine Funktion ist dieselbe wie der Modusparameter der offenen Funktion. Wenn Sie den durch den Schlüssel identifizierten gemeinsam genutzten Speicher erstellen möchten, können Sie dies tun oder mit IPC_CREAT arbeiten . Das Berechtigungsflag des gemeinsam genutzten Speichers ist dasselbe wie die Lese- und Schreibberechtigung der Datei. Beispielsweise 0644, was bedeutet, dass der von einem Prozess erstellte gemeinsam genutzte Speicher vom Prozess gelesen und in den gemeinsam genutzten Speicher geschrieben werden darf Durch den Speicherersteller können andere Benutzer gleichzeitig den gemeinsam genutzten Speicher lesen.

2. Shmat-Funktion

Wenn der gemeinsam genutzte Speicher zum ersten Mal erstellt wird, kann kein Prozess darauf zugreifen. Die Funktion der Shmat-Funktion besteht darin, den Zugriff auf den gemeinsam genutzten Speicher zu initiieren und den gemeinsam genutzten Speicher mit dem Adressraum des aktuellen Prozesses zu verbinden. Sein Prototyp ist wie folgt:

**void** *shmat(**int** shm_id, **const** **void** *shm_addr, **int** shmflg);

Der zweite Parameter, shm_addr, gibt den Adressort an, an dem der gemeinsam genutzte Speicher mit dem aktuellen Prozess verbunden ist. Er ist normalerweise leer, was bedeutet, dass das System die Adresse des gemeinsam genutzten Speichers auswählen kann.

Der dritte Parameter, shm_flg, ist eine Reihe von Flag-Bits, normalerweise 0.

Wenn der Aufruf erfolgreich ist, wird ein Zeiger auf das erste Byte des gemeinsam genutzten Speichers zurückgegeben. Wenn der Aufruf fehlschlägt, wird -1 zurückgegeben.

3. smdt-Funktion

Diese Funktion wird verwendet, um den gemeinsamen Speicher vom aktuellen Prozess zu trennen. Beachten Sie, dass durch das Trennen des gemeinsam genutzten Speichers dieser nicht gelöscht wird, sondern lediglich, dass der gemeinsam genutzte Speicher für den aktuellen Prozess nicht mehr verfügbar ist. Sein Prototyp ist wie folgt:

 1. **int** shmdt(**const** **void** *shmaddr);

Der Parameter shmaddr ist der von der shmat-Funktion zurückgegebene Adresszeiger. Er gibt 0 zurück, wenn der Aufruf erfolgreich ist, und -1, wenn er fehlschlägt.

4. shmctl-Funktion

Wie die Semctl-Funktion des Semaphors wird sie zur Steuerung des gemeinsamen Speichers verwendet. Ihr Prototyp ist wie folgt:

**int** shmctl(**int** shm_id, **int** command, **struct** shmid_ds *buf);

第一个参数，shm_id是shmget函数返回的共享内存标识符。

第二个参数，command是要采取的操作，它可以取下面的三个值：

IPC_STAT：把shmid_ds结构中的数据设置为共享内存的当前关联值，即用共享内存的当前关联值覆盖shmid_ds的值。

IPC_SET：如果进程有足够的权限，就把共享内存的当前关联值设置为shmid_ds结构中给出的值

IPC_RMID：删除共享内存段

第三个参数，buf是一个结构指针，它指向共享内存模式和访问权限的结构。

shmid_ds结构至少包括以下成员：

1. struct** shmid_ds 
2. { 
3.   uid_t shm_perm.uid; 
4.   uid_t shm_perm.gid; 
5.   mode_t shm_perm.mode; 
6. };

三、使用共享内存进行进程间通信

说了这么多，又到了实战的时候了。下面就以两个不相关的进程来说明进程间如何通过共享内存来进行通信。其中一个文件shmread.c创建共享内存，并读取其中的信息，另一个文件shmwrite.c向共享内存中写入数据。为了方便操作和数据结构的统一，为这两个文件定义了相同的数据结构，定义在文件shmdata.c中。结构shared_use_st中的written作为一个可读或可写的标志，非0：表示可读，0表示可写，text则是内存中的文件。

shmdata.h的源代码如下：

1. \#ifndef _SHMDATA_H_HEADER 
2. \#define _SHMDATA_H_HEADER 
3.  
4. \#define TEXT_SZ 2048 
5.  
6. **struct** shared_use_st 
7. { 
8.   **int** written;//作为一个标志，非0：表示可读，0表示可写 
9.   **char** text[TEXT_SZ];//记录写入和读取的文本 
10. }; 
11.  
12. \#endif

源文件shmread.c的源代码如下：

1. \#include  
2. \#include  
3. \#include  
4. \#include  
5. \#include "shmdata.h" 
6.  
7. **int** main() 
8. { 
9.   **int** running = 1;//程序是否继续运行的标志 
10.   **void** *shm = NULL;//分配的共享内存的原始首地址 
11.   **struct** shared_use_st *shared;//指向shm 
12.   **int** shmid;//共享内存标识符 
13.   //创建共享内存 
14.   shmid = shmget((key_t)1234, **sizeof**(**struct** shared_use_st), 0666|IPC_CREAT); 
15.   **if**(shmid == -1) 
16.   { 
17.     fprintf(stderr, "shmget failed\n"); 
18.     exit(EXIT_FAILURE); 
19.   } 
20.   //将共享内存连接到当前进程的地址空间 
21.   shm = shmat(shmid, 0, 0); 
22.   **if**(shm == (**void***)-1) 
23.   { 
24.     fprintf(stderr, "shmat failed\n"); 
25.     exit(EXIT_FAILURE); 
26.   } 
27.   printf("\nMemory attached at %X\n", (**int**)shm); 
28.   //设置共享内存 
29.   shared = (**struct** shared_use_st*)shm; 
30.   shared->written = 0; 
31.   **while**(running)//读取共享内存中的数据 
32.   { 
33.     //没有进程向共享内存定数据有数据可读取 
34.     **if**(shared->written != 0) 
35.     { 
36.       printf("You wrote: %s", shared->text); 
37.       sleep(rand() % 3); 
38.       //读取完数据，设置written使共享内存段可写 
39.       shared->written = 0; 
40.       //输入了end，退出循环（程序） 
41.       **if**(strncmp(shared->text, "end", 3) == 0) 
42.         running = 0; 
43.     } 
44.     **else**//有其他进程在写数据，不能读取数据 
45.       sleep(1); 
46.   } 
47.   //把共享内存从当前进程中分离 
48.   **if**(shmdt(shm) == -1) 
49.   { 
50.     fprintf(stderr, "shmdt failed\n"); 
51.     exit(EXIT_FAILURE); 
52.   } 
53.   //删除共享内存 
54.   **if**(shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1) 
55.   { 
56.     fprintf(stderr, "shmctl(IPC_RMID) failed\n"); 
57.     exit(EXIT_FAILURE); 
58.   } 
59.   exit(EXIT_SUCCESS); 
60. }

源文件shmwrite.c的源代码如下：

1. \#include  
2. \#include  
3. \#include  
4. \#include  
5. \#include  
6. \#include "shmdata.h" 
7.  
8. **int** main() 
9. { 
10.   **int** running = 1; 
11.   **void** *shm = NULL; 
12.   **struct** shared_use_st *shared = NULL; 
13.   **char** buffer[BUFSIZ + 1];//用于保存输入的文本 
14.   **int** shmid; 
15.   //创建共享内存 
16.   shmid = shmget((key_t)1234, **sizeof**(**struct** shared_use_st), 0666|IPC_CREAT); 
17.   **if**(shmid == -1) 
18.   { 
19.     fprintf(stderr, "shmget failed\n"); 
20.     exit(EXIT_FAILURE); 
21.   } 
22.   //将共享内存连接到当前进程的地址空间 
23.   shm = shmat(shmid, (**void***)0, 0); 
24.   **if**(shm == (**void***)-1) 
25.   { 
26.     fprintf(stderr, "shmat failed\n"); 
27.     exit(EXIT_FAILURE); 
28.   } 
29.   printf("Memory attached at %X\n", (**int**)shm); 
30.   //设置共享内存 
31.   shared = (**struct** shared_use_st*)shm; 
32.   **while**(running)//向共享内存中写数据 
33.   { 
34.     //数据还没有被读取，则等待数据被读取,不能向共享内存中写入文本 
35.     **while**(shared->written == 1) 
36.     { 
37.       sleep(1); 
38.       printf("Waiting...\n"); 
39.     } 
40.     //向共享内存中写入数据 
41.     printf("Enter some text: "); 
42.     fgets(buffer, BUFSIZ, stdin); 
43.     strncpy(shared->text, buffer, TEXT_SZ); 
44.     //写完数据，设置written使共享内存段可读 
45.     shared->written = 1; 
46.     //输入了end，退出循环（程序） 
47.     **if**(strncmp(buffer, "end", 3) == 0) 
48.       running = 0; 
49.   } 
50.   //把共享内存从当前进程中分离 
51.   **if**(shmdt(shm) == -1) 
52.   { 
53.     fprintf(stderr, "shmdt failed\n"); 
54.     exit(EXIT_FAILURE); 
55.   } 
56.   sleep(2); 
57.   exit(EXIT_SUCCESS); 
58. }

再来看看运行的结果：

分析：

1、程序shmread创建共享内存，然后将它连接到自己的地址空间。在共享内存的开始处使用了一个结构struct_use_st。该结构中有个标志written，当共享内存中有其他进程向它写入数据时，共享内存中的written被设置为0，程序等待。当它不为0时，表示没有进程对共享内存写入数据，程序就从共享内存中读取数据并输出，然后重置设置共享内存中的written为0，即让其可被shmwrite进程写入数据。

2、程序shmwrite取得共享内存并连接到自己的地址空间中。检查共享内存中的written，是否为0，若不是，表示共享内存中的数据还没有被完，则等待其他进程读取完成，并提示用户等待。若共享内存的written为0，表示没有其他进程对共享内存进行读取，则提示用户输入文本，并再次设置共享内存中的written为1，表示写完成，其他进程可对共享内存进行读操作。

四、关于前面的例子的安全性讨论

这个程序是不安全的，当有多个程序同时向共享内存中读写数据时，问题就会出现。可能你会认为，可以改变一下written的使用方式，例如，只有当written为0时进程才可以向共享内存写入数据，而当一个进程只有在written不为0时才能对其进行读取，同时把written进行加1操作，读取完后进行减1操作。这就有点像文件锁中的读写锁的功能。咋看之下，它似乎能行得通。但是这都不是原子操作，所以这种做法是行不能的。试想当written为0时，如果有两个进程同时访问共享内存，它们就会发现written为0，于是两个进程都对其进行写操作，显然不行。当written为1时，有两个进程同时对共享内存进行读操作时也是如些，当这两个进程都读取完是，written就变成了-1.

要想让程序安全地执行，就要有一种进程同步的进制，保证在进入临界区的操作是原子操作。例如，可以使用前面所讲的信号量来进行进程的同步。因为信号量的操作都是原子性的。

五、使用共享内存的优缺点

1、优点：我们可以看到使用共享内存进行进程间的通信真的是非常方便，而且函数的接口也简单，数据的共享还使进程间的数据不用传送，而是直接访问内存，也加快了程序的效率。同时，它也不像匿名管道那样要求通信的进程有一定的父子关系。

2、缺点：共享内存没有提供同步的机制，这使得我们在使用共享内存进行进程间通信时，往往要借助其他的手段来进行进程间的同步工作。

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