50.1 共享内存
50.1.1 共享内存的概念
- 共享内存区域是被多个进程共享的一部分物理内存
- 多个进程都可把该共享内存映射到自己的虚拟内存空间。所有用户空间的进程若要操作共享内存，都要将其映射到自己虚拟内存空间中，通过映射的虚拟内存空间地址去操作共享内存，从而达到进程间的数据通信
- 共享内存是进程间共享数据的一种最快的方法，一个进程向共享内存区域写入了数据，共享这个内存区域的所有进程就可以立刻看到其中的内容
- 本身不提供同步机制，可通过信号量进行同步
- 提升数据处理效率，一种效率最高的 IPC 机制
50.1.2 共享内存的映射
50.1.3 共享内存的属性
50.1.4 共享内存使用步骤
- 使用 shmget 函数创建共享内存
- 使用 shmat 函数映射共享内存，将这段创建的共享内存映射到具体的进程虚拟内存空间
50.1.5 创建共享内存
- 函数参数
- key：用户指定的共享内存键值
- size：共享内存大小
- shmflg：IPC_CREAT、IPC_EXCL 等权限组合
- 返回值：
- 如果成功，返回内核中共享内存的标识 ID。如果失败，返回 -1
- errno：
- EINVAL：无效的内存段大小
- EEXIST：内存段已经存在，无法创建
- EIDRM：内存段已经被删除
- ENOENT：内存段不存在
- EACCES：权限不够
- ENOMEM：没有足够的内存来创建内存段
50.1.6 共享内存控制函数
- 函数参数：
- shmid：共享内存 ID
- cmd：
- IPC_STAT：获取共享内存段属性
- IPC_SET：设置共享内存段属性
- IPC_RMID：删除共享内存段
- SHM_LOCK：锁定共享内存段页面（页面映射到物理内存，不和外存进行换入换出操作）
- SHM_UNLOCK：解除共享内存段页面的锁定
- buf：共享内存属性指针
- 返回值：成功返回 0，出错返回 -1
50.1.7 共享内存的映射和解除映射
- 函数参数：
- shmid：共享内存 ID
- shmaddr：映射到进程虚拟内存空间的地址，建议设置为 0，由操作系统分配
- shmflg：若 shmaddr 设置为 0，则 shmflag 也设置为 0
- SHM_RND
- SHMLBA：地址为 2 的乘方
- SHM_RDONLY：只读方式链接
- 返回值：
- shmat：成功，则返回共享内存映射到进程虚拟内存空间的地址；失败，则返回 -1
- shmdt：如果失败，则返回 -1
- errno：
- EINVAL：无效的 IPC ID 值或者无效的地址
- ENOMEM：没有足够的内存
- EACCES：存取权限不够
- 函数说明：
- 子进程不继承父进程创建的共享内存，大家是共享的。子进程继承父进程映射的地址
50.2 例子
50.2.1 共享内存常规操作--单向同步
tell.h
1 #ifndef __TELL_H 2 #define __TELL_H 3 4 5 /** 管道初始化 */ 6 extern void init(); 7 8 /** 利用管道进行等待 */ 9 extern void wait_pipe(); 10 11 /** 利用管道进行通知 */ 12 extern void notify_pipe(); 13 14 /** 销毁管道 */ 15 extern void destroy_pipe(); 16 17 #endif
tell.c
1 #include <stdlib.h> 2 #include <stdio.h> 3 #include <string.h> 4 #include <unistd.h> 5 #include "tell.h" 6 7 static int fd[2]; 8 9 /** 管道初始化 */ 10 void init() 11 { 12 if(pipe(fd) < 0) { 13 perror("pipe error"); 14 } 15 } 16 17 /** 利用管道进行等待 */ 18 void wait_pipe() 19 { 20 char c; 21 22 /** 管道读写默认是阻塞性的 */ 23 if(read(fd[0], &c, 1) < 0){ 24 perror("wait pipe error"); 25 } 26 } 27 28 /** 利用管道进行通知 */ 29 void notify_pipe() 30 { 31 char c = 'c'; 32 if(write(fd[1], &c, 1) != 1){ 33 perror("notify pipe error"); 34 } 35 } 36 37 /** 销毁管道 */ 38 void destroy_pipe() 39 { 40 close(fd[0]); 41 close(fd[1]); 42 }
cal_shm.c
1 #include <sys/shm.h> 2 #include <sys/ipc.h> 3 #include <sys/types.h> 4 #include <sys/wait.h> 5 #include <unistd.h> 6 #include <stdio.h> 7 #include <stdlib.h> 8 #include <string.h> 9 #include "tell.h" 10 11 12 int main(void) 13 { 14 /** 创建共享内存 */ 15 int shmid; 16 if((shmid = shmget(IPC_PRIVATE, 1024, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0777)) < 0){ 17 perror("shmget error"); 18 return 1; 19 } 20 21 pid_t pid; 22 init(); ///< 初始化管道 23 if((pid = fork()) < 0){ 24 perror("fork error"); 25 return 1; 26 } 27 else if(pid > 0){ 28 /** 进行共享内存映射 */ 29 int *pi = (int *)shmat(shmid, 0, 0); 30 if(pi == (int *)-1){ 31 perror("shmat error"); 32 return 1; 33 } 34 35 /** 往共享内存中写入数据（通过操作映射的地址即可） */ 36 *pi = 100; 37 *(pi + 1) = 20; 38 39 /** 操作完毕解除共享内存的映射 */ 40 shmdt(pi); 41 42 /** 通知子进程去读取数据 */ 43 notify_pipe(); 44 45 destroy_pipe(); 46 47 wait(0); 48 } 49 else{ 50 /** 子进程阻塞，等待父进程先往共享内存中写入数据 */ 51 wait_pipe(); 52 53 /** 子进程读取共享内存中的数据 */ 54 /** 子进程进行共享内存的映射 */ 55 int *pi = (int *)shmat(shmid, 0, 0); 56 if(pi == (int *)-1){ 57 perror("shmat error"); 58 return 1; 59 } 60 printf("start: %d, end: %d\n", *pi, *(pi + 1)); 61 62 /** 读取完毕后解除映射 */ 63 shmdt(pi); 64 65 /** 删除共享内存 */ 66 shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); 67 68 destroy_pipe(); 69 70 } 71 72 return 0; 73 }
编译运行如下：
50.2.2 进程间互斥案例---银行账户（ATM）
atm_account.h
1 #ifndef __ATM_ACCOUNT_H__ 2 #define __ATM_ACCOUNT_H__ 3 4 #include <math.h> 5 #include <malloc.h> 6 #include <stdlib.h> 7 #include <stdio.h> 8 #include <string.h> 9 #include <unistd.h> 10 #include <sys/shm.h> 11 #include <sys/ipc.h> 12 13 /** 账户信息 */ 14 typedef struct { 15 int code; ///< 银行账户的编码 16 double balance; ///< 账户余额 17 }atm_Account; 18 19 /** 取款 */ 20 extern double atm_account_Withdraw(atm_Account *account, double amt); 21 /** 存款 */ 22 extern double atm_account_Desposit(atm_Account *account, double amt); 23 /** 查看账户余额 */ 24 extern double atm_account_BalanceGet(atm_Account *account); 25 26 #endif
atm_account.c
1 #include "atm_account.h" 2 3 /** 取款: 成功，则返回取款金额 */ 4 double atm_account_Withdraw(atm_Account *account, double amt) 5 { 6 if(NULL == account) { 7 return 0.0; 8 } 9 10 if(amt < 0 || amt > account->balance) { 11 return 0.0; 12 } 13 14 double balance_tmp = account->balance; 15 sleep(1); 16 balance_tmp -= amt; 17 account->balance = balance_tmp; 18 19 return amt; 20 } 21 22 /** 存款: 返回存款的金额 */ 23 double atm_account_Desposit(atm_Account *account, double amt) 24 { 25 if(NULL == account){ 26 return 0.0; 27 } 28 29 if(amt < 0){ 30 return 0.0; 31 } 32 33 double balance_tmp = account->balance; 34 sleep(1); 35 balance_tmp += amt; 36 account->balance = balance_tmp; 37 38 return amt; 39 } 40 41 /** 查看账户余额 */ 42 double atm_account_BalanceGet(atm_Account *account) 43 { 44 if(NULL == account){ 45 return 0.0; 46 } 47 48 double balance_tmp = account->balance; 49 50 return balance_tmp; 51 }
atm_handler.h
1 #ifndef __ATM_HANDLER_H__ 2 #define __ATM_HANDLER_H__ 3 4 #include "atm_account.h" 5 #include <sys/wait.h> 6 #include <sys/shm.h> 7 #include <sys/ipc.h> 8 #include <stdio.h> 9 #include <stdlib.h> 10 #include <string.h> 11 12 typedef enum { 13 ATM_ERROR_NONE, 14 ATM_ERROR_ACCOUNT_CREATE 15 }atm_error_t; 16 17 /** 账户操作结构体 */ 18 typedef struct { 19 char name[20]; ///< 操作人的姓名 20 atm_Account *account; ///< 操作的账户 21 double amt; ///< 操作的金额 22 }atm_handler_t; 23 24 extern atm_error_t atm_handler_main(void); 25 26 #endif
atm_handler.c
1 #include "atm_handler.h" 2 3 4 /** 账户操作主函数 */ 5 atm_error_t atm_handler_main(void) 6 { 7 /** 在共享内存中创建银行账户 */ 8 int shmid; 9 if((shmid = shmget(IPC_PRIVATE, sizeof(atm_Account), IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0777)) < 0) { 10 perror("shmget error"); 11 return 1; 12 } 13 14 /** 进程共享内存映射 */ 15 atm_Account *a = (atm_Account *)shmat(shmid, 0, 0); 16 if(a == (atm_Account *)-1){ 17 perror("shmat error"); 18 return 1; 19 } 20 a->code = 100001; 21 a->balance = 10000; 22 printf("balance: %f\n", a->balance); 23 24 pid_t pid; 25 if((pid = fork()) < 0){ 26 perror("fork error"); 27 return 1; 28 } 29 else if(pid > 0){ 30 /** 父进程执行取款操作 */ 31 double amt = atm_account_Withdraw(a, 10000); 32 printf("pid %d withdraw %f form code %d\n", getpid(), amt, a->code); 33 wait(0); 34 /** 对共享内存的操作要在解除映射之前 */ 35 printf("balance: %f\n", a->balance); 36 shmdt(a); 37 } 38 else { 39 /** 子进程也执行取款操作 */ 40 double amt = atm_account_Withdraw(a, 10000); 41 printf("pid %d withdraw %f form code %d\n", getpid(), amt, a->code); 42 shmdt(a); 43 } 44 45 return ATM_ERROR_NONE; 46 }
atm_test.c
1 #include "atm_handler.h" 2 3 int main(void) 4 { 5 atm_handler_main(); 6 return 0; 7 }
Makefile
1 #PROJECT_ROOT = $(dir $(abspath $(lastword $(MAKEFILE_LIST)))) 2 PROJECT_ROOT = $(shell pwd) 3 SRC_DIR = $(PROJECT_ROOT)/src 4 INCLUDE_DIR = $(PROJECT_ROOT)/include 5 OBJ_DIR = $(PROJECT_ROOT)/obj 6 BIN_DIR = $(PROJECT_ROOT)/bin 7 8 9 # 找出 src 目录下的所有 .c 文件 10 C_SRCS = $(wildcard $(SRC_DIR)/*.c) 11 # 将所有的 src 下的 .c 文件替换为 .o 文件 12 C_OBJS = $(patsubst %c, %o, $(C_SRCS)) 13 TARGET = test 14 SHARE_LIB = libatm.a 15 16 C_SRC_MAIN = atm_test.c 17 18 CC = gcc 19 CCFLAGS += fPIC 20 LDFLAGS += -shared -fPIC 21 ASFLAGS += 22 ARFLAGS = -crs 23 LIBS_FLAGS = -L$(BIN_DIR) 24 25 RM = rm -rf 26 27 CFLAGS += -Wall -g -I$(INCLUDE_DIR) 28 INCDIR += -I$(INCLUDE_DIR) 29 30 31 32 .PHONY: all clean test 33 34 all: $(TARGET) 35 cp $(SHARE_LIB) $(BIN_DIR) 36 cp $(SRC_DIR)/*.o $(OBJ_DIR)/ 37 $(RM) $(SHARE_LIB) $(SRC_DIR)/*.o 38 39 $(TARGET): $(SHARE_LIB) 40 $(CC) $(C_SRC_MAIN) -o $(TARGET) $(CFLAGS) $(INCDIR) $(LIBS_FLAGS) -latm 41 42 $(SHARE_LIB): $(C_OBJS) 43 $(AR) $(ARFLAGS) $(SHARE_LIB) $(C_OBJS) 44 cp $(SHARE_LIB) $(BIN_DIR) 45 46 $(C_OBJS) : %.o:%.c 47 $(CC) -c $(CFLAGS) $(INCDIR) -o $@ $< 48 49 clean: 50 $(RM) mshell 51 $(RM) $(SHARE_LIB) 52 $(RM) $(OBJ_DIR)/$(OBJS)/*.o 53 $(RM) $(SRC_DIR)/*.o
编译执行结果如下：
两个账户都取款到 10000元，那是因为我们当前在共享内存的操作没有做互斥，下一节将添加互斥。