0. 前言
進程是一個獨立的資源管理單元，不同進程間的資源是獨立的，不能在一個進程中訪問另一個進程的用戶空間和內存空間。但是，進程不是孤立的，不同進程之間需要信息的交互和狀態的傳遞，因此需要進程間數據的傳遞、同步和異步的機制。
當然，這些機制不能由哪一個進程進行直接管理，只能由操作系統來完成其管理和維護，Linux提供了大量的進程間通信機制，包括同一個主機下的不同進程和網絡主機間的進程通信，如下圖所示：
- 同主機間的信息交互：
- 無名管道：
特點：多用於親緣關系進程間通信，方向為單向；為阻塞讀寫；通信進程雙方退出后自動消失
問題：多進程用同一管道通信容易造成交叉讀寫的問題- 有名管道：
FIFO(First In First Out),方向為單向(雙向需兩個FIFO)，以磁盤文件的方式存在；通信雙方一方不存在則阻塞- 消息隊列：
可用於同主機任意多進程的通信，但其可存放的數據有限，應用於少量的數據傳遞- 共享內存：
可實現同主機任意進程間大量數據的通信，但多進程對共享內存的訪問存在着競爭
- 同主機進程間同步機制：信號量(Semaphore)
- 同主機進程間異步機制：信號(Signal)
- 網絡主機間數據交互：Socket(套接字)
1. 共享內存 - 概念
共享內存，主要是實現進程間大量數據的傳輸。所謂共享內存，即在內存中開辟一段特殊的內存空間，多個進程可互斥訪問，該內存空間具有自身特有的數據結構。
共享內存的數據結構如下 - struct shmid_ds：
/* Come from /usr/include/linux/shm.h */
/* Obsolete, used only for backwards compatibility and libc5 compiles */
struct shmid_ds {
struct ipc_perm shm_perm; /* operation perms */
int shm_segsz; /* size of segment (bytes) */
__kernel_time_t shm_atime; /* last attach time */
__kernel_time_t shm_dtime; /* last detach time */
__kernel_time_t shm_ctime; /* last change time */
__kernel_ipc_pid_t shm_cpid; /* pid of creator */
__kernel_ipc_pid_t shm_lpid; /* pid of last operator */
unsigned short shm_nattch; /* no. of current attaches */
unsigned short shm_unused; /* compatibility */
void *shm_unused2; /* ditto - used by DIPC */
void *shm_unused3; /* unused */
};
多個進程在使用此共享內存空間時候，必須在進程地址空間與共享內存地址空間之間建立連接，即將共享內存空間掛載到進程中；
共享內存是由一個進程開辟，其它任何進程都可以掛載；
共享內存並不會隨着進程的退出而消失，因此最后不使用此內存空間時，必須要手動刪除。
2. 共享內存管理
1). 創建共享內存 - shmget
作用：
創建一個共享內存空間頭文件：
#include <sys/shm.h>函數原型：
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg)參數：
- key:
ftok()的返回值- size: 想要創建的共享內存的大小 (字節)
- shmflg: 共享內存段的創建標識
Macro No. Description Head File IPC_CREAT 01000 若key內存段不存在，則創建；否則返回內存首地址 /usr/include/linux/ipc.h IPC_EXCL 02000 若key內存段存在，則返回錯誤 IPC_NOWAIT 04000 不等待直接返回 shm_r 0400 可讀 /usr/include/linux/shm.h shm_w 0200 可寫 /usr/include/linux/shm.h
- 返回值：
成功：共享內存空間的標志 shm_id
失敗：-1
2). 共享內存控制 - shmctl
作用：
對共享內存進程操作，包括：讀取/設置狀態，刪除操作頭文件：
#include<sys/shm.h>函數原型：
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf)參數：
- shmid :
shmget()返回值- buf：臨時共享內存變量信息
- cmd :
Macro No. Description Return IPC_RMID 0 刪除 0 IPC_SET 1 設置 ipc_perm 參數 0 IPC_STAT 2 獲取 ipc_perm 參數 IPC_INFO 3 若 ipcs命令SHM_LOCK 11 鎖定共享內存段 0 SHM_UNLOCK 12 解鎖共享內存段 0
- 返回值：
成功：
失敗：-1
3). 共享內存映射 - shmat()
作用：
將共享內存空間掛載到進程中頭文件：
#include <sys/shm.h>函數原型：
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg)參數：
- shmid :
shmget()返回值- shmaddr: 共享內存的映射地址，一般為0(由系統自動分配地址)
- shmflg : 訪問權限和映射條件
Macro No. Descripton Remind - 0 默認有讀寫權限 常用 SHM_RDONLY 010000 只讀 SHM_RDN 020000 Round attach address to SHMLBA boundary SHM_REMAP 040000 take-over region on attach
- 返回值：
成功：共享內存段首地址
失敗：NULL / (void *)-1
4). 共享內存分離 - shmdt()
作用：
將進程與共享內存空間分離 (只是與共享內存不再有聯系，並沒有刪除共享內存)頭文件：
#include <sys/shm.h>函數原型：
int shmdt(const void *shmaddr)參數：
shmaddr：共享內存的首地址
- 返回值：
成功： 0
失敗： -1
3. 示例代碼：
兩個進程通過共享內存傳輸數據，因共享內存不可同時讀寫，因此采用二元信號量進行進程互斥，具體操作如下：
- init: 設置信號量為0，此時只允許寫入，不允許讀取(因為共享內存沒有數據);
- Sender: 在sem=0時，寫入數據到共享內存(阻塞讀);寫入完成后，sem=1,此時可以讀取，不可以寫入；
- Receiver: 在sem=1時，讀取數據；讀取完成后，sem=0,此時只允許寫入。
1- Sender.c
/*
* Filename: Sender.c
* Description:
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
key_t key;
int shm_id;
int sem_id;
int value = 0;
//1.Product the key
key = ftok(".", 0xFF);
//2. Creat semaphore for visit the shared memory
sem_id = semget(key, 1, IPC_CREAT|0644);
if(-1 == sem_id)
{
perror("semget");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//3. init the semaphore, sem=0
if(-1 == (semctl(sem_id, 0, SETVAL, value)))
{
perror("semctl");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//4. Creat the shared memory(1K bytes)
shm_id = shmget(key, 1024, IPC_CREAT|0644);
if(-1 == shm_id)
{
perror("shmget");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//5. attach the shm_id to this process
char *shm_ptr;
shm_ptr = shmat(shm_id, NULL, 0);
if(NULL == shm_ptr)
{
perror("shmat");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//6. Operation procedure
struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0; //first sem(index=0)
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
sem_b.sem_op = 1; //Increase 1,make sem=1
while(1)
{
if(0 == (value = semctl(sem_id, 0, GETVAL)))
{
printf("\nNow, snd message process running:\n");
printf("\tInput the snd message: ");
scanf("%s", shm_ptr);
if(-1 == semop(sem_id, &sem_b, 1))
{
perror("semop");
exit(EXIT_FAILURE);
}
}
//if enter "end", then end the process
if(0 == (strcmp(shm_ptr ,"end")))
{
printf("\nExit sender process now!\n");
break;
}
}
shmdt(shm_ptr);
return 0;
}
2- Receiver.c
/*
* Filename: Receiver.c
* Description:
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
key_t key;
int shm_id;
int sem_id;
int value = 0;
//1.Product the key
key = ftok(".", 0xFF);
//2. Creat semaphore for visit the shared memory
sem_id = semget(key, 1, IPC_CREAT|0644);
if(-1 == sem_id)
{
perror("semget");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//3. init the semaphore, sem=0
if(-1 == (semctl(sem_id, 0, SETVAL, value)))
{
perror("semctl");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//4. Creat the shared memory(1K bytes)
shm_id = shmget(key, 1024, IPC_CREAT|0644);
if(-1 == shm_id)
{
perror("shmget");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//5. attach the shm_id to this process
char *shm_ptr;
shm_ptr = shmat(shm_id, NULL, 0);
if(NULL == shm_ptr)
{
perror("shmat");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//6. Operation procedure
struct sembuf sem_b;
sem_b.sem_num = 0; //first sem(index=0)
sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;
sem_b.sem_op = -1; //Increase 1,make sem=1
while(1)
{
if(1 == (value = semctl(sem_id, 0, GETVAL)))
{
printf("\nNow, receive message process running:\n");
printf("\tThe message is : %s\n", shm_ptr);
if(-1 == semop(sem_id, &sem_b, 1))
{
perror("semop");
exit(EXIT_FAILURE);
}
}
//if enter "end", then end the process
if(0 == (strcmp(shm_ptr ,"end")))
{
printf("\nExit the receiver process now!\n");
break;
}
}
shmdt(shm_ptr);
//7. delete the shared memory
if(-1 == shmctl(shm_id, IPC_RMID, NULL))
{
perror("shmctl");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//8. delete the semaphore
if(-1 == semctl(sem_id, 0, IPC_RMID))
{
perror("semctl");
exit(EXIT_FAILURE);
}
return 0;
}