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級(jí) 別： 初級(jí)

鄭 彥興 (mlinux@163.com), 國防科大攻讀博士學(xué)位

2003 年 5 月 01 日

在共享內(nèi)存（上）中，主要圍繞著系統(tǒng) 調(diào)用mmap()進(jìn)行討論的，本部分將討論系統(tǒng)V共享內(nèi)存，并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比來闡述兩者的異同。系統(tǒng)V共享內(nèi)存指的是把所有共享數(shù)據(jù)放在共享內(nèi)存區(qū)域 （IPC shared memory region），任何想要訪問該數(shù)據(jù)的進(jìn)程都必須在本進(jìn)程的地址空間新增一塊內(nèi)存區(qū)域，用來映射存放共享數(shù)據(jù)的物理內(nèi)存頁面。

系統(tǒng)調(diào)用mmap()通過映射一個(gè)普通文件實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存。系統(tǒng)V則是通過映射特殊文件系統(tǒng)shm中的文件實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的共享內(nèi)存通信。也 就是說，每個(gè)共享內(nèi)存區(qū)域?qū)?yīng)特殊文件系統(tǒng)shm中的一個(gè)文件（這是通過shmid_kernel結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來的），后面還將闡述。

1、系統(tǒng)V共享內(nèi)存原理

進(jìn)程間需要共享的數(shù)據(jù)被放在一個(gè)叫做IPC共享內(nèi)存區(qū)域的地方，所有需要訪問該共享區(qū)域的進(jìn)程都要把該共享區(qū)域映射到本進(jìn)程的地址空間 中去。系統(tǒng)V共享內(nèi)存通過shmget獲得或創(chuàng)建一個(gè)IPC共享內(nèi)存區(qū)域，并返回相應(yīng)的標(biāo)識(shí)符。內(nèi)核在保證shmget獲得或創(chuàng)建一個(gè)共享內(nèi)存區(qū)，初始化 該共享內(nèi)存區(qū)相應(yīng)的shmid_kernel結(jié)構(gòu)注同時(shí)，還將在特殊文件系統(tǒng)shm中，創(chuàng)建并打開一個(gè)同名文件，并在內(nèi)存中建立起該文件的相應(yīng) dentry及inode結(jié)構(gòu)，新打開的文件不屬于任何一個(gè)進(jìn)程（任何進(jìn)程都可以訪問該共享內(nèi)存區(qū)）。所有這一切都是系統(tǒng)調(diào)用shmget完成的。

注：每一個(gè)共享內(nèi)存區(qū)都有一個(gè)控制結(jié)構(gòu)struct shmid_kernel，shmid_kernel是共享內(nèi)存區(qū)域中非常重要的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是存儲(chǔ)管理和文件系統(tǒng)結(jié)合起來的橋梁，定義如下：

struct shmid_kernel /* private to the kernel */
{ 
 struct kern_ipc_perm shm_perm;
 struct file *  shm_file;
 int   id;
 unsigned long  shm_nattch;
 unsigned long  shm_segsz;
 time_t   shm_atim;
 time_t   shm_dtim;
 time_t   shm_ctim;
 pid_t   shm_cprid;
 pid_t   shm_lprid;
};

該結(jié)構(gòu)中最重要的一個(gè)域應(yīng)該是shm_file，它存儲(chǔ)了將被映射文件的地址。每個(gè)共享內(nèi)存區(qū)對(duì)象都對(duì)應(yīng)特殊文件系統(tǒng)shm中的一個(gè)文 件，一般情況下，特殊文件系統(tǒng)shm中的文件是不能用read()、write()等方法訪問的，當(dāng)采取共享內(nèi)存的方式把其中的文件映射到進(jìn)程地址空間 后，可直接采用訪問內(nèi)存的方式對(duì)其訪問。

這里我們采用[1]中的圖表給出與系統(tǒng)V共享內(nèi)存相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

正如消息隊(duì)列和信號(hào)燈一樣，內(nèi)核通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct ipc_ids shm_ids維護(hù)系統(tǒng)中的所有共享內(nèi)存區(qū)域。上圖中的shm_ids.entries變量指向一個(gè)ipc_id結(jié)構(gòu)數(shù)組，而每個(gè)ipc_id結(jié)構(gòu)數(shù)組中 有個(gè)指向kern_ipc_perm結(jié)構(gòu)的指針。到這里讀者應(yīng)該很熟悉了，對(duì)于系統(tǒng)V共享內(nèi)存區(qū)來說，kern_ipc_perm的宿主是 shmid_kernel結(jié)構(gòu)，shmid_kernel是用來描述一個(gè)共享內(nèi)存區(qū)域的，這樣內(nèi)核就能夠控制系統(tǒng)中所有的共享區(qū)域。同時(shí)，在 shmid_kernel結(jié)構(gòu)的file類型指針shm_file指向文件系統(tǒng)shm中相應(yīng)的文件，這樣，共享內(nèi)存區(qū)域就與shm文件系統(tǒng)中的文件對(duì)應(yīng)起 來。

在創(chuàng)建了一個(gè)共享內(nèi)存區(qū)域后，還要將它映射到進(jìn)程地址空間，系統(tǒng)調(diào)用shmat()完成此項(xiàng)功能。由于在調(diào)用shmget()時(shí)，已經(jīng) 創(chuàng)建了文件系統(tǒng)shm中的一個(gè)同名文件與共享內(nèi)存區(qū)域相對(duì)應(yīng)，因此，調(diào)用shmat()的過程相當(dāng)于映射文件系統(tǒng)shm中的同名文件過程，原理與 mmap()大同小異。

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2、系統(tǒng)V共享內(nèi)存API

對(duì)于系統(tǒng)V共享內(nèi)存，主要有以下幾個(gè)API：shmget()、shmat()、shmdt()及shmctl()。

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

shmget（）用來獲得共享內(nèi)存區(qū)域的ID，如果不存在指定的共享區(qū)域就創(chuàng)建相應(yīng)的區(qū)域。shmat()把共享內(nèi)存區(qū)域映射到調(diào)用進(jìn) 程的地址空間中去，這樣，進(jìn)程就可以方便地對(duì)共享區(qū)域進(jìn)行訪問操作。shmdt()調(diào)用用來解除進(jìn)程對(duì)共享內(nèi)存區(qū)域的映射。shmctl實(shí)現(xiàn)對(duì)共享內(nèi)存區(qū) 域的控制操作。這里我們不對(duì)這些系統(tǒng)調(diào)用作具體的介紹，讀者可參考相應(yīng)的手冊頁面，后面的范例中將給出它們的調(diào)用方法。

注：shmget的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)包含了許多重要的系統(tǒng)V共享內(nèi)存機(jī)制；shmat在把共享內(nèi)存區(qū)域映射到進(jìn)程空間時(shí)，并不真正改變進(jìn)程的頁 表。當(dāng)進(jìn)程第一次訪問內(nèi)存映射區(qū)域訪問時(shí)，會(huì)因?yàn)闆]有物理頁表的分配而導(dǎo)致一個(gè)缺頁異常，然后內(nèi)核再根據(jù)相應(yīng)的存儲(chǔ)管理機(jī)制為共享內(nèi)存映射區(qū)域分配相應(yīng)的 頁表。

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3、系統(tǒng)V共享內(nèi)存限制

在/proc/sys/kernel/目錄下，記錄著系統(tǒng)V共享內(nèi)存的一下限制，如一個(gè)共享內(nèi)存區(qū)的最大字節(jié)數(shù)shmmax，系統(tǒng)范圍 內(nèi)最大共享內(nèi)存區(qū)標(biāo)識(shí)符數(shù)shmmni等，可以手工對(duì)其調(diào)整，但不推薦這樣做。

在[2]中，給出了這些限制的測試方法，不再贅述。

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4、系統(tǒng)V共享內(nèi)存范例

本部分將給出系統(tǒng)V共享內(nèi)存API的使用方法，并對(duì)比分析系統(tǒng)V共享內(nèi)存機(jī)制與mmap()映射普通文件實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存之間的差異，首先 給出兩個(gè)進(jìn)程通過系統(tǒng)V共享內(nèi)存通信的范例：

/***** testwrite.c *******/
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
typedef struct{
 char name[4];
 int age;
} people;
main(int argc, char** argv)
{
 int shm_id,i;
 key_t key;
 char temp;
 people *p_map;
 char* name = "/dev/shm/myshm2";
 key = ftok(name,0);
 if(key==-1)
  perror("ftok error");
 shm_id=shmget(key,4096,IPC_CREAT); 
 if(shm_id==-1)
 {
  perror("shmget error");
  return;
 }
 p_map=(people*)shmat(shm_id,NULL,0);
 temp='a';
 for(i = 0;i<10;i++)
 {
  temp+=1;
  memcpy((*(p_map+i)).name,&temp,1);
  (*(p_map+i)).age=20+i;
 }
 if(shmdt(p_map)==-1)
  perror(" detach error ");
}
/********** testread.c ************/
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
typedef struct{
 char name[4];
 int age;
} people;
main(int argc, char** argv)
{
 int shm_id,i;
 key_t key;
 people *p_map;
 char* name = "/dev/shm/myshm2";
 key = ftok(name,0);
 if(key == -1)
  perror("ftok error");
 shm_id = shmget(key,4096,IPC_CREAT); 
 if(shm_id == -1)
 {
  perror("shmget error");
  return;
 }
 p_map = (people*)shmat(shm_id,NULL,0);
 for(i = 0;i<10;i++)
 {
 printf( "name:%s\n",(*(p_map+i)).name );
 printf( "age %d\n",(*(p_map+i)).age );
 }
 if(shmdt(p_map) == -1)
  perror(" detach error ");
}

testwrite.c創(chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)V共享內(nèi)存區(qū)，并在其中寫入格式化數(shù)據(jù)；testread.c訪問同一個(gè)系統(tǒng)V共享內(nèi)存區(qū)，讀出其 中的格式化數(shù)據(jù)。分別把兩個(gè)程序編譯為testwrite及testread，先后執(zhí)行./testwrite及./testread 則./testread輸出結(jié)果如下：

name: b age 20; name: c age 21; name: d age 22; name: e age 23; name: f age 24;
name: g age 25; name: h age 26; name: I age 27; name: j age 28; name: k age 29;

通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析，對(duì)比系統(tǒng)V與mmap()映射普通文件實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存通信，可以得出如下結(jié)論：

1、 系統(tǒng)V共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，從來不寫入到實(shí)際磁盤文件中去；而通過mmap()映射普通文件實(shí)現(xiàn)的共享內(nèi)存通信可以指定何時(shí)將數(shù)據(jù)寫入磁盤文件中。 注：前面講到，系統(tǒng)V共享內(nèi)存機(jī)制實(shí)際是通過映射特殊文件系統(tǒng)shm中的文件實(shí)現(xiàn)的，文件系統(tǒng)shm的安裝點(diǎn)在交換分區(qū)上，系統(tǒng)重新引導(dǎo)后，所有的內(nèi)容都 丟失。

2、 系統(tǒng)V共享內(nèi)存是隨內(nèi)核持續(xù)的，即使所有訪問共享內(nèi)存的進(jìn)程都已經(jīng)正常終止，共享內(nèi)存區(qū)仍然存在（除非顯式刪除共享內(nèi)存），在內(nèi)核重新引導(dǎo)之前，對(duì)該共享 內(nèi)存區(qū)域的任何改寫操作都將一直保留。

3、 通過調(diào)用mmap()映射普通文件進(jìn)行進(jìn)程間通信時(shí)，一定要注意考慮進(jìn)程何時(shí)終止對(duì)通信的影響。而通過系統(tǒng)V共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)通信的進(jìn)程則不然。 注：這里沒有給出shmctl的使用范例，原理與消息隊(duì)列大同小異。

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結(jié)論：

共享內(nèi)存允許兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程共享一給定的存儲(chǔ)區(qū)，因?yàn)閿?shù)據(jù)不需要來回復(fù)制，所以是最快的一種進(jìn)程間通信機(jī)制。共享內(nèi)存可以通過 mmap()映射普通文件（特殊情況下還可以采用匿名映射）機(jī)制實(shí)現(xiàn)，也可以通過系統(tǒng)V共享內(nèi)存機(jī)制實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用接口和原理很簡單，內(nèi)部機(jī)制復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn) 更安全通信，往往還與信號(hào)燈等同步機(jī)制共同使用。

共享內(nèi)存涉及到了存儲(chǔ)管理以及文件系統(tǒng)等方面的知識(shí)，深入理解其內(nèi)部機(jī)制有一定的難度，關(guān)鍵還要緊緊抓住內(nèi)核使用的重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng) V共享內(nèi)存是以文件的形式組織在特殊文件系統(tǒng)shm中的。通過shmget可以創(chuàng)建或獲得共享內(nèi)存的標(biāo)識(shí)符。取得共享內(nèi)存標(biāo)識(shí)符后，要通過shmat將這 個(gè)內(nèi)存區(qū)映射到本進(jìn)程的虛擬地址空間。

參考資料

[1] Understanding the Linux Kernel, 2nd Edition, By Daniel P. Bovet, Marco Cesati , 對(duì)各主題闡述得重點(diǎn)突出，脈絡(luò)清晰。

[2] UNIX網(wǎng)絡(luò)編程第二卷：進(jìn)程間通信，作者：W.Richard Stevens，譯者：楊繼張，清華大學(xué)出版社。對(duì)mmap()有詳細(xì)闡述。

[3] Linux內(nèi)核源代碼情景分析（上），毛德操、胡希明著，浙江大學(xué)出版社，給出了mmap()相關(guān)的源代碼分析。

[4]shmget、shmat、shmctl、shmdt手冊