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Linux環(huán)境進(jìn)程間通信（五）: 共享內(nèi)存

共享內(nèi)存可以說是最有用的進(jìn)程間通信方式，也是最快的IPC形式。兩個(gè)不同進(jìn)程A、B共享內(nèi)存的意思是，同一塊物理內(nèi)存被映射到進(jìn)程A、B各自的進(jìn)程地址空間。進(jìn)程A可以即時(shí)看到進(jìn)程B對共享內(nèi)存中數(shù)據(jù)的更新，反之亦然。由于多個(gè)進(jìn)程共享同一塊內(nèi)存區(qū)域，必然需要某種同步機(jī)制，互斥鎖和信號(hào)量都可以。
采用共享內(nèi)存通信的一個(gè)顯而易見的好處是效率高，因?yàn)檫M(jìn)程可以直接讀寫內(nèi)存，而不需要任何數(shù)據(jù)的拷貝。對于像管道和消息隊(duì)列等通信方式，則需要在內(nèi)核和用戶空間進(jìn)行四次的數(shù)據(jù)拷貝，而共享內(nèi)存則只拷貝兩次數(shù)據(jù)[1]：一次從輸入文件到共享內(nèi)存區(qū)，另一次從共享內(nèi)存區(qū)到輸出文件。實(shí)際上，進(jìn)程之間在共享內(nèi)存時(shí)，并不總是讀寫少量數(shù)據(jù)后就解除映射，有新的通信時(shí)，再重新建立共享內(nèi)存區(qū)域。而是保持共享區(qū)域，直到通信完畢為止，這樣，數(shù)據(jù)內(nèi)容一直保存在共享內(nèi)存中，并沒有寫回文件。共享內(nèi)存中的內(nèi)容往往是在解除映射時(shí)才寫回文件的。因此，采用共享內(nèi)存的通信方式效率是非常高的。

Linux的2.2.x內(nèi)核支持多種共享內(nèi)存方式，如mmap()系統(tǒng)調(diào)用，Posix共享內(nèi)存，以及系統(tǒng)V共享內(nèi)存。linux發(fā)行版本如Redhat 8.0支持mmap()系統(tǒng)調(diào)用及系統(tǒng)V共享內(nèi)存，但還沒實(shí)現(xiàn)Posix共享內(nèi)存，本文將主要介紹mmap()系統(tǒng)調(diào)用及系統(tǒng)V共享內(nèi)存API的原理及應(yīng)用。

一、內(nèi)核怎樣保證各個(gè)進(jìn)程尋址到同一個(gè)共享內(nèi)存區(qū)域的內(nèi)存頁面

1、page cache及swap cache中頁面的區(qū)分：一個(gè)被訪問文件的物理頁面都駐留在page cache或swap cache中，一個(gè)頁面的所有信息由struct page來描述。struct page中有一個(gè)域?yàn)橹羔榤apping ，它指向一個(gè)struct address_space類型結(jié)構(gòu)。page cache或swap cache中的所有頁面就是根據(jù)address_space結(jié)構(gòu)以及一個(gè)偏移量來區(qū)分的。

2、文件與address_space結(jié)構(gòu)的對應(yīng)：一個(gè)具體的文件在打開后，內(nèi)核會(huì)在內(nèi)存中為之建立一個(gè)struct inode結(jié)構(gòu)，其中的i_mapping域指向一個(gè)address_space結(jié)構(gòu)。這樣，一個(gè)文件就對應(yīng)一個(gè)address_space結(jié)構(gòu)，一個(gè)address_space與一個(gè)偏移量能夠確定一個(gè)page cache 或swap cache中的一個(gè)頁面。因此，當(dāng)要尋址某個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，很容易根據(jù)給定的文件及數(shù)據(jù)在文件內(nèi)的偏移量而找到相應(yīng)的頁面。

3、進(jìn)程調(diào)用mmap()時(shí)，只是在進(jìn)程空間內(nèi)新增了一塊相應(yīng)大小的緩沖區(qū)，并設(shè)置了相應(yīng)的訪問標(biāo)識(shí)，但并沒有建立進(jìn)程空間到物理頁面的映射。因此，第一次訪問該空間時(shí)，會(huì)引發(fā)一個(gè)缺頁異常。

4、對于共享內(nèi)存映射情況，缺頁異常處理程序首先在swap cache中尋找目標(biāo)頁（符合address_space以及偏移量的物理頁），如果找到，則直接返回地址；如果沒有找到，則判斷該頁是否在交換區(qū)(swap area)，如果在，則執(zhí)行一個(gè)換入操作；如果上述兩種情況都不滿足，處理程序?qū)⒎峙湫碌奈锢眄撁妫阉迦氲絧age cache中。進(jìn)程最終將更新進(jìn)程頁表。
注：對于映射普通文件情況（非共享映射），缺頁異常處理程序首先會(huì)在page cache中根據(jù)address_space以及數(shù)據(jù)偏移量尋找相應(yīng)的頁面。如果沒有找到，則說明文件數(shù)據(jù)還沒有讀入內(nèi)存，處理程序會(huì)從磁盤讀入相應(yīng)的頁面，并返回相應(yīng)地址，同時(shí)，進(jìn)程頁表也會(huì)更新。

5、所有進(jìn)程在映射同一個(gè)共享內(nèi)存區(qū)域時(shí)，情況都一樣，在建立線性地址與物理地址之間的映射之后，不論進(jìn)程各自的返回地址如何，實(shí)際訪問的必然是同一個(gè)共享內(nèi)存區(qū)域?qū)?yīng)的物理頁面。
注：一個(gè)共享內(nèi)存區(qū)域可以看作是特殊文件系統(tǒng)shm中的一個(gè)文件，shm的安裝點(diǎn)在交換區(qū)上。

上面涉及到了一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，圍繞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)理解問題會(huì)容易一些。



二、mmap()及其相關(guān)系統(tǒng)調(diào)用

mmap()系統(tǒng)調(diào)用使得進(jìn)程之間通過映射同一個(gè)普通文件實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存。普通文件被映射到進(jìn)程地址空間后，進(jìn)程可以向訪問普通內(nèi)存一樣對文件進(jìn)行訪問，不必再調(diào)用read()，write（）等操作。

注：實(shí)際上，mmap()系統(tǒng)調(diào)用并不是完全為了用于共享內(nèi)存而設(shè)計(jì)的。它本身提供了不同于一般對普通文件的訪問方式，進(jìn)程可以像讀寫內(nèi)存一樣對普通文件的操作。而Posix或系統(tǒng)V的共享內(nèi)存IPC則純粹用于共享目的，當(dāng)然mmap()實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存也是其主要應(yīng)用之一。

1、mmap()系統(tǒng)調(diào)用形式如下：

void* mmap ( void * addr , size_t len , int prot , int flags , int fd , off_t offset )
參數(shù)fd為即將映射到進(jìn)程空間的文件描述字，一般由open()返回，同時(shí)，fd可以指定為-1，此時(shí)須指定flags參數(shù)中的MAP_ANON，表明進(jìn)行的是匿名映射（不涉及具體的文件名，避免了文件的創(chuàng)建及打開，很顯然只能用于具有親緣關(guān)系的進(jìn)程間通信）。len是映射到調(diào)用進(jìn)程地址空間的字節(jié)數(shù)，它從被映射文件開頭offset個(gè)字節(jié)開始算起。prot 參數(shù)指定共享內(nèi)存的訪問權(quán)限。可取如下幾個(gè)值的或：PROT_READ（可讀） , PROT_WRITE （可寫）, PROT_EXEC （可執(zhí)行）, PROT_NONE（不可訪問）。flags由以下幾個(gè)常值指定：MAP_SHARED , MAP_PRIVATE , MAP_FIXED，其中，MAP_SHARED , MAP_PRIVATE必選其一，而MAP_FIXED則不推薦使用。offset參數(shù)一般設(shè)為0，表示從文件頭開始映射。參數(shù)addr指定文件應(yīng)被映射到進(jìn)程空間的起始地址，一般被指定一個(gè)空指針，此時(shí)選擇起始地址的任務(wù)留給內(nèi)核來完成。函數(shù)的返回值為最后文件映射到進(jìn)程空間的地址，進(jìn)程可直接操作起始地址為該值的有效地址。這里不再詳細(xì)介紹mmap()的參數(shù)，讀者可參考mmap()手冊頁獲得進(jìn)一步的信息。

2、系統(tǒng)調(diào)用mmap()用于共享內(nèi)存的兩種方式：


（1）使用普通文件提供的內(nèi)存映射：適用于任何進(jìn)程之間；此時(shí)，需要打開或創(chuàng)建一個(gè)文件，然后再調(diào)用mmap()；典型調(diào)用代碼如下：   
fd=open(name, flag, mode); if(fd<0)   ...    ptr=mmap(NULL, len , PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED , fd , 0);
通過mmap()實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存的通信方式有許多特點(diǎn)和要注意的地方，我們將在范例中進(jìn)行具體說明。

（2）使用特殊文件提供匿名內(nèi)存映射：適用于具有親緣關(guān)系的進(jìn)程之間；由于父子進(jìn)程特殊的親緣關(guān)系，在父進(jìn)程中先調(diào)用mmap()，然后調(diào)用fork()。那么在調(diào)用fork()之后，子進(jìn)程繼承父進(jìn)程匿名映射后的地址空間，同樣也繼承mmap()返回的地址，這樣，父子進(jìn)程就可以通過映射區(qū)域進(jìn)行通信了。注意，這里不是一般的繼承關(guān)系。一般來說，子進(jìn)程單獨(dú)維護(hù)從父進(jìn)程繼承下來的一些變量。而mmap()返回的地址，卻由父子進(jìn)程共同維護(hù)。
對于具有親緣關(guān)系的進(jìn)程實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存最好的方式應(yīng)該是采用匿名內(nèi)存映射的方式。此時(shí)，不必指定具體的文件，只要設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志即可，參見范例2。

3、系統(tǒng)調(diào)用munmap()

int munmap( void * addr, size_t len )
該調(diào)用在進(jìn)程地址空間中解除一個(gè)映射關(guān)系，addr是調(diào)用mmap()時(shí)返回的地址，len是映射區(qū)的大小。當(dāng)映射關(guān)系解除后，對原來映射地址的訪問將導(dǎo)致段錯(cuò)誤發(fā)生。

4、系統(tǒng)調(diào)用msync()

int msync ( void * addr , size_t len, int flags)
一般說來，進(jìn)程在映射空間的對共享內(nèi)容的改變并不直接寫回到磁盤文件中，往往在調(diào)用munmap（）后才執(zhí)行該操作。可以通過調(diào)用msync()實(shí)現(xiàn)磁盤上文件內(nèi)容與共享內(nèi)存區(qū)的內(nèi)容一致。


三、mmap()范例

下面將給出使用mmap()的兩個(gè)范例：范例1給出兩個(gè)進(jìn)程通過映射普通文件實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存通信；范例2給出父子進(jìn)程通過匿名映射實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存。系統(tǒng)調(diào)用mmap()有許多有趣的地方，下面是通過mmap（）映射普通文件實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的通信的范例，我們通過該范例來說明mmap()實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存的特點(diǎn)及注意事項(xiàng)。

范例1：兩個(gè)進(jìn)程通過映射普通文件實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存通信

范例1包含兩個(gè)子程序：map_normalfile1.c及map_normalfile2.c。編譯兩個(gè)程序，可執(zhí)行文件分別為map_normalfile1及map_normalfile2。兩個(gè)程序通過命令行參數(shù)指定同一個(gè)文件來實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存方式的進(jìn)程間通信。map_normalfile2試圖打開命令行參數(shù)指定的一個(gè)普通文件，把該文件映射到進(jìn)程的地址空間，并對映射后的地址空間進(jìn)行寫操作。map_normalfile1把命令行參數(shù)指定的文件映射到進(jìn)程地址空間，然后對映射后的地址空間執(zhí)行讀操作。這樣，兩個(gè)進(jìn)程通過命令行參數(shù)指定同一個(gè)文件來實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存方式的進(jìn)程間通信。

下面是兩個(gè)程序代碼：
/*-------------map_normalfile1.c-----------*/ #include <sys/mman.h> #include <sys/types.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> typedef struct{   char name[4];   int  age; }people; main(int argc, char** argv) // map a normal file as shared mem: {   int fd,i;   people *p_map;   char temp;      fd=open(argv[1],O_CREAT|O_RDWR|O_TRUNC,00777);   lseek(fd,sizeof(people)*5-1,SEEK_SET);   write(fd,"",1);      p_map = (people*) mmap( NULL,sizeof(people)*10,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0 );   close( fd );   temp = 'a';   for(i=0; i<10; i++)   {     temp += 1;     memcpy( ( *(p_map+i) ).name, &temp,2 );     ( *(p_map+i) ).age = 20+i;   }   printf(" initialize over \n ")；   sleep(10);   munmap( p_map, sizeof(people)*10 );   printf( "umap ok \n" ); }
/*-------------map_normalfile2.c-----------*/ #include <sys/mman.h> #include <sys/types.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> typedef struct{   char name[4];   int  age; }people; main(int argc, char** argv)  // map a normal file as shared mem: {   int fd,i;   people *p_map;   fd=open( argv[1],O_CREAT|O_RDWR,00777 );   p_map = (people*)mmap(NULL,sizeof(people)*10,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);   for(i = 0;i<10;i++)   {   printf( "name: %s age %d;\n",(*(p_map+i)).name, (*(p_map+i)).age );   }   munmap( p_map,sizeof(people)*10 ); }


map_normalfile1.c首先定義了一個(gè)people數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，（在這里采用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的方式是因?yàn)椋蚕韮?nèi)存區(qū)的數(shù)據(jù)往往是有固定格式的，這由通信的各個(gè)進(jìn)程決定，采用結(jié)構(gòu)的方式有普遍代表性）。map_normfile1首先打開或創(chuàng)建一個(gè)文件，并把文件的長度設(shè)置為5個(gè)people結(jié)構(gòu)大小。然后從mmap()的返回地址開始，設(shè)置了10個(gè)people結(jié)構(gòu)。然后，進(jìn)程睡眠10秒鐘，等待其他進(jìn)程映射同一個(gè)文件，最后解除映射。

map_normfile2.c只是簡單的映射一個(gè)文件，并以people數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的格式從mmap()返回的地址處讀取10個(gè)people結(jié)構(gòu)，并輸出讀取的值，然后解除映射。

分別把兩個(gè)程序編譯成可執(zhí)行文件map_normalfile1和map_normalfile2后，在一個(gè)終端上先運(yùn)行./map_normalfile2 /tmp/test_shm，程序輸出結(jié)果如下：

initialize over
umap ok



在map_normalfile1輸出initialize over 之后，輸出umap ok之前，在另一個(gè)終端上運(yùn)行map_normalfile2 /tmp/test_shm，將會(huì)產(chǎn)生如下輸出(為了節(jié)省空間，輸出結(jié)果為稍作整理后的結(jié)果)：





在map_normalfile1 輸出umap ok后，運(yùn)行map_normalfile2則輸出如下結(jié)果：





從程序的運(yùn)行結(jié)果中可以得出的結(jié)論

1、 最終被映射文件的內(nèi)容的長度不會(huì)超過文件本身的初始大小，即映射不能改變文件的大小；

2、 可以用于進(jìn)程通信的有效地址空間大小大體上受限于被映射文件的大小，但不完全受限于文件大小。打開文件被截短為5個(gè)people結(jié)構(gòu)大小，而在map_normalfile1中初始化了10個(gè)people數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在恰當(dāng)時(shí)候（map_normalfile1輸出initialize over 之后，輸出umap ok之前）調(diào)用map_normalfile2會(huì)發(fā)現(xiàn)map_normalfile2將輸出全部10個(gè)people結(jié)構(gòu)的值，后面將給出詳細(xì)討論。
注：在linux中，內(nèi)存的保護(hù)是以頁為基本單位的，即使被映射文件只有一個(gè)字節(jié)大小，內(nèi)核也會(huì)為映射分配一個(gè)頁面大小的內(nèi)存。當(dāng)被映射文件小于一個(gè)頁面大小時(shí)，進(jìn)程可以對從mmap()返回地址開始的一個(gè)頁面大小進(jìn)行訪問，而不會(huì)出錯(cuò)；但是，如果對一個(gè)頁面以外的地址空間進(jìn)行訪問，則導(dǎo)致錯(cuò)誤發(fā)生，后面將進(jìn)一步描述。因此，可用于進(jìn)程間通信的有效地址空間大小不會(huì)超過文件大小及一個(gè)頁面大小的和。

3、 文件一旦被映射后，調(diào)用mmap()的進(jìn)程對返回地址的訪問是對某一內(nèi)存區(qū)域的訪問，暫時(shí)脫離了磁盤上文件的影響。所有對mmap()返回地址空間的操作只在內(nèi)存中有意義，只有在調(diào)用了munmap()后或者msync()時(shí)，才把內(nèi)存中的相應(yīng)內(nèi)容寫回磁盤文件，所寫內(nèi)容仍然不能超過文件的大小。

范例2：父子進(jìn)程通過匿名映射實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存
#include <sys/mman.h> #include <sys/types.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> typedef struct{   char name[4];   int  age; }people; main(int argc, char** argv) {   int i;   people *p_map;   char temp;   p_map=(people*)mmap(NULL,sizeof(people)*10,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS,-1,0);   if(fork() == 0)   {     sleep(2);     for(i = 0;i<5;i++)       printf("child read: the %d people's age is %d\n",i+1,(*(p_map+i)).age);     (*p_map).age = 100;     munmap(p_map,sizeof(people)*10); //實(shí)際上，進(jìn)程終止時(shí)，會(huì)自動(dòng)解除映射。     exit();   }   temp = 'a';   for(i = 0;i<5;i++)   {     temp += 1;     memcpy((*(p_map+i)).name, &temp,2);     (*(p_map+i)).age=20+i;   }   sleep(5);   printf( "parent read: the first people,s age is %d\n",(*p_map).age );   printf("umap\n");   munmap( p_map,sizeof(people)*10 );   printf( "umap ok\n" ); }

考察程序的輸出結(jié)果，體會(huì)父子進(jìn)程匿名共享內(nèi)存：




四、對mmap()返回地址的訪問

前面對范例運(yùn)行結(jié)構(gòu)的討論中已經(jīng)提到，linux采用的是頁式管理機(jī)制。對于用mmap()映射普通文件來說，進(jìn)程會(huì)在自己的地址空間新增一塊空間，空間大小由mmap()的len參數(shù)指定，注意，進(jìn)程并不一定能夠?qū)θ啃略隹臻g都能進(jìn)行有效訪問。進(jìn)程能夠訪問的有效地址大小取決于文件被映射部分的大小。簡單的說，能夠容納文件被映射部分大小的最少頁面?zhèn)€數(shù)決定了進(jìn)程從mmap()返回的地址開始，能夠有效訪問的地址空間大小。超過這個(gè)空間大小，內(nèi)核會(huì)根據(jù)超過的嚴(yán)重程度返回發(fā)送不同的信號(hào)給進(jìn)程。可用如下圖示說明：




注意：文件被映射部分而不是整個(gè)文件決定了進(jìn)程能夠訪問的空間大小，另外，如果指定文件的偏移部分，一定要注意為頁面大小的整數(shù)倍。下面是對進(jìn)程映射地址空間的訪問范例：
#include <sys/mman.h> #include <sys/types.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h> typedef struct{   char name[4];   int  age; }people; main(int argc, char** argv) {   int fd,i;   int pagesize,offset;   people *p_map;      pagesize = sysconf(_SC_PAGESIZE);   printf("pagesize is %d\n",pagesize);   fd = open(argv[1],O_CREAT|O_RDWR|O_TRUNC,00777);   lseek(fd,pagesize*2-100,SEEK_SET);   write(fd,"",1);   offset = 0;  //此處offset = 0編譯成版本1；offset = pagesize編譯成版本2   p_map = (people*)mmap(NULL,pagesize*3,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,offset);   close(fd);      for(i = 1; i<10; i++)   {     (*(p_map+pagesize/sizeof(people)*i-2)).age = 100;     printf("access page %d over\n",i);     (*(p_map+pagesize/sizeof(people)*i-1)).age = 100;     printf("access page %d edge over, now begin to access page %d\n",i, i+1);     (*(p_map+pagesize/sizeof(people)*i)).age = 100;     printf("access page %d over\n",i+1);   }   munmap(p_map,sizeof(people)*10); }

如程序中所注釋的那樣，把程序編譯成兩個(gè)版本，兩個(gè)版本主要體現(xiàn)在文件被映射部分的大小不同。文件的大小介于一個(gè)頁面與兩個(gè)頁面之間（大小為：pagesize*2-99），版本1的被映射部分是整個(gè)文件，版本2的文件被映射部分是文件大小減去一個(gè)頁面后的剩余部分，不到一個(gè)頁面大小(大小為：pagesize-99)。程序中試圖訪問每一個(gè)頁面邊界，兩個(gè)版本都試圖在進(jìn)程空間中映射pagesize*3的字節(jié)數(shù)。

版本1的輸出結(jié)果如下：





版本2的輸出結(jié)果如下：





結(jié)論：采用系統(tǒng)調(diào)用mmap()實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信是很方便的，在應(yīng)用層上接口非常簡潔。內(nèi)部實(shí)現(xiàn)機(jī)制區(qū)涉及到了linux存儲(chǔ)管理以及文件系統(tǒng)等方面的內(nèi)容，可以參考一下相關(guān)重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來加深理解。在本專題的后面部分，將介紹系統(tǒng)v共享內(nèi)存的實(shí)現(xiàn)。

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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)對象都對應(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。



2、系統(tǒng)V共享內(nèi)存API

對于系統(tǒng)V共享內(nèi)存，主要有以下幾個(gè)API：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)程就可以方便地對共享區(qū)域進(jìn)行訪問操作。shmdt()調(diào)用用來解除進(jìn)程對共享內(nèi)存區(qū)域的映射。shmctl實(shí)現(xiàn)對共享內(nèi)存區(qū)域的控制操作。這里我們不對這些系統(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。



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。



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：





通過對試驗(yàn)結(jié)果分析，對比系統(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。



結(jié)論：






參考資料

posted on 2008-04-16 09:08 RedLight 閱讀(416) 評論(0)  編輯 收藏 引用 所屬分類: Linux(C++開發(fā)) (rss)