共享內存

　　共享內存可以說是最有用的進程間通信方式，也是最快的IPC形式。兩個不同進程A、B共享內存的意思是，同一塊物理內存被映射到進程A、B各自的進程地址空間。進程A可以即時看到進程B對共享內存中數據的更新，反之亦然。由於多個進程共享同一塊內存區域，必然需要某種同步機制，互斥鎖和信號量都可以。
　　采用共享內存通信的一個顯而易見的好處是效率高，因為進程可以直接讀寫內存，而不需要任何數據的拷貝。對於像管道和消息隊列等通信方式，則需要在內核和用戶空間進行四次的數據拷貝，而共享內存則只拷貝兩次數據[1]：一次從輸入文件到共享內存區，另一次從共享內存區到輸出文件。實際上，進程之間在共享內存時，並不總是讀寫少量數據后就解除映射，有新的通信時，再重新建立共享內存區域。而是保持共享區域，直到通信完畢為止，這樣，數據內容一直保存在共享內存中，並沒有寫回文件。共享內存中的內容往往是在解除映射時才寫回文件的。因此，采用共享內存的通信方式效率是非常高的。

　　默認情況下通過fork派生的子進程並不與父進程共享內存區。通過一個程序來驗證，程序功能是讓父子進程都給一個名為count的全局變量加1操作，程序如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <semaphore.h>
#include <fcntl.h>

#define   SEM_NAME         "mysem"
#define   FILE_MODE   (S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH)
int   count = 0;

int main(int argc,char* argv[])
{
    int  i,nloop;
    sem_t *mutex;
    if(argc != 2)
    {
        printf("usage: incrl <#loops>");
        exit(0);
    }
    nloop = atoi(argv[1]);
        //創建有名信號量
    mutex = sem_open(SEM_NAME,O_RDWR|O_CREAT|O_EXCL,FILE_MODE,1);
    sem_unlink(SEM_NAME);
        //將stdout設置為非緩沖的
    setbuf(stdout,NULL);
       //子進程開始執行增加1
    if(fork() == 0)
    {
        for(i = 0;i<nloop;++i)
        {
            sem_wait(mutex);
            printf("child: %d\n",count++);
            sem_post(mutex);
        }
        exit(0);
    }
       //父進程執行增加1操作
    for(i = 0;i<nloop;++i)
    {
        sem_wait(mutex);
        printf("parent: %d\n",count++);
        sem_post(mutex);
    }
        //等待子進程退出
    wait(NULL); 
    exit(0);
}

程序執行結果如下所示：

從結果可以看出父子進程都有各自的全局變量count的副本，每個進程都從該變量為0的初始值開始的，每次增加的對象是各自的變量的副本。

共享內存操作函數：

1、系統調用mmap()
　  void* mmap ( void * addr , size_t len , int prot , int flags , int fd , off_t offset )

　  mamap函數把一個文件或一個Posix共享內存區對象映射到調用進程的地址空間。參數fd為即將映射到進程空間的文件描述字，一般由open()返回，同時，fd可以指定為-1，此時須指定flags參數中的MAP_ANON，表明進行的是匿名映射（不涉及具體的文件名，避免了文件的創建及打開，很顯然只能用於具有親緣關系的進程間通信）。len是映射到調用進程地址空間的字節數，它從被映射文件開頭offset個字節開始算起。prot 參數指定共享內存的訪問權限。可取如下幾個值的或：PROT_READ（可讀） , PROT_WRITE （可寫）, PROT_EXEC （可執行）, PROT_NONE（不可訪問）。flags由以下幾個常值指定：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參數一般設為0，表示從文件頭開始映射。參數addr指定文件應被映射到進程空間的起始地址，一般被指定一個空指針，此時選擇起始地址的任務留給內核來完成。函數的返回值為最后文件映射到進程空間的地址，進程可直接操作起始地址為該值的有效地址。

2、系統調用munmap()
　  int munmap( void * addr, size_t len )

　  munmap函數從某個進程的地址空間中刪除一個映射關系。addr是調用mmap()時返回的地址，len是映射區的大小。當映射關系解除后，對原來映射地址的訪問將導致段錯誤發生。

3、系統調用msync()
　  int msync ( void * addr , size_t len, int flags)

　　一般說來，進程在映射空間的對共享內容的改變並不直接寫回到磁盤文件中，往往在調用munmap（）后才執行該操作。可以通過調用msync()實現磁盤上文件內容與共享內存區的內容一致。

 現使用共享內存實現在內存映射文件中個計數器持續加1，程序如下所示：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <semaphore.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <errno.h>

#define   SEM_NAME         "mysem"
#define   FILE_MODE   (S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH)

int main(int argc,char* argv[])
{
    int     fd,i,nloop,zero = 0;
    int      *ptr;
    sem_t   *mutex;
    if(argc != 3)
    {
        printf("usage: incrl <#loops>");
        exit(0);
    }
    nloop = atoi(argv[2]);
    //打開文件
    fd = open(argv[1],O_RDWR|O_CREAT,FILE_MODE);
    //向文件中寫入0值
    write(fd,&zero,sizeof(int));
    //將文件映射到進程地址空間，返回被映射區的起始地址
    ptr = mmap(NULL,sizeof(int),PROT_READ| PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
    if(ptr == MAP_FAILED)
    {
        perror("mmap() error");
        exit(0);
    }
    close(fd);
    mutex = sem_open(SEM_NAME,O_RDWR|O_CREAT|O_EXCL,FILE_MODE,1);
    sem_unlink(SEM_NAME);
    setbuf(stdout,NULL);
    if(fork() == 0)
    {
        for(i = -0;i<nloop;++i)
        {
            sem_wait(mutex);
            printf("child: %d\n",(*ptr)++);
            sem_post(mutex);
        }
        exit(0);
    }
    for(i = 0;i<nloop;++i)
    {
        sem_wait(mutex);
        printf("parent: %d\n",(*ptr)++);
        sem_post(mutex);
    }
    wait(NULL);
    exit(0);
}

程序執行結果如下所示：

從結果可以看出父子進程共享內存區。可以將這個程序改成使用[osix基於內存的信號量，而不是一個Posix有名信號量，並把該信號量存放在共享內存中。程序如下所示：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <semaphore.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <errno.h>

#define   SEM_NAME         "mysem"
#define   FILE_MODE   (S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH)

//共享內存結構
struct shared
{
    sem_t mutex;       //信號量
    int count;         //計數器
}shared;

int main(int argc,char* argv[])
{
    int     fd,i,nloop;
    struct  shared *ptr;
    if(argc != 3)
    {
        printf("usage: incrl <#loops>");
        exit(0);
    }
    nloop = atoi(argv[2]);
    fd = open(argv[1],O_RDWR|O_CREAT,FILE_MODE);
    write(fd,&shared,sizeof(struct shared));
    ptr = mmap(NULL,sizeof(struct shared),PROT_READ| PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
    if(ptr == MAP_FAILED)
    {
        perror("mmap() error");
        exit(0);
    }
    close(fd);
    sem_init(&ptr->mutex,1,1);
    setbuf(stdout,NULL);
    if(fork() == 0)
    {
        for(i = -0;i<nloop;++i)
        {
            sem_wait(&ptr->mutex);
            printf("child: %d\n",ptr->count++);
            sem_post(&ptr->mutex);
        }
        exit(0);
    }
    for(i = 0;i<nloop;++i)
    {
        sem_wait(&ptr->mutex);
        printf("parent: %d\n",ptr->count++);
        sem_post(&ptr->mutex);
    }
    wait(NULL);
    exit(0);
}

程序執行結果與上面的一致。從上面的程序發現，我們在進行文件映射的時候，當文件不存在的時候需要在文件系統中創建一個文件然后打開。4.4BSD提供匿名內存映射，避免了文件的創建和打開。其解決辦法是將mmap的flags的參數指定為MAP_SHARED | MAP_ANON，把fd參數指定為-1，offset參數則被忽略。這樣的內存區初始化為0。實現如下所示：

int *ptr;
ptr = mmap(NULL,sizeof(int),PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED | MAP_ANON,-1,0);

SVR4提供了/dev/zero設備文件，從該設備讀是返回的字節全為0，寫往該設備的任何字節被丟棄。實現如下所示：

int *ptr;
fd = open("dev/zero",O_RDWR);
ptr = mmap(NULL,sizeof(int),PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);