Kaedah yang cekap untuk komunikasi antara proses Linux: menggunakan memori yang dikongsi

Yang berikut akan menerangkan satu lagi cara komunikasi antara proses, menggunakan memori yang dikongsi.

1. Apakah kenangan bersama

Seperti namanya, memori yang dikongsi membenarkan dua proses yang tidak berkaitan untuk mengakses memori logik yang sama. Memori yang dikongsi ialah cara yang sangat cekap untuk berkongsi dan memindahkan data antara dua proses yang sedang berjalan. Memori yang dikongsi antara proses yang berbeza biasanya disusun sebagai segmen memori fizikal yang sama. Proses boleh menyambungkan segmen memori kongsi yang sama ke dalam ruang alamat mereka sendiri, dan semua proses boleh mengakses alamat dalam memori kongsi seolah-olah ia telah diperuntukkan memori menggunakan malloc fungsi bahasa C. Dan jika proses menulis data ke memori kongsi, perubahan akan menjejaskan serta-merta sebarang proses lain yang boleh mengakses segmen memori kongsi yang sama.

Peringatan khas: Memori yang dikongsi tidak menyediakan mekanisme penyegerakan, iaitu sebelum proses pertama selesai menulis ke memori yang dikongsi, tiada mekanisme automatik untuk menghalang proses kedua daripada mula membacanya. Oleh itu, kita biasanya perlu menggunakan mekanisme lain untuk menyegerakkan akses kepada memori yang dikongsi, seperti semaphore yang dinyatakan sebelum ini. Untuk maklumat lanjut tentang semaphore, anda boleh menyemak artikel saya yang lain: Komunikasi antara proses Linux - menggunakan semaphore

2. Penggunaan memori bersama

Seperti semaphore, Linux juga menyediakan satu set antara muka berfungsi untuk menggunakan memori yang dikongsi, dan antara muka yang menggunakan kewujudan bersama adalah sangat serupa dengan semaphore, dan lebih ringkas daripada antara muka yang menggunakan semaphore. Mereka diisytiharkan dalam fail pengepala sys/shm.h.

1. fungsi shmget

Fungsi ini digunakan untuk mencipta memori bersama, prototaipnya ialah:

1. int shmget(kunci_t kunci, saiz_t saiz, int shmflg);

Parameter pertama adalah sama dengan fungsi semget semaphore Program ini perlu menyediakan kunci parameter (bukan integer sifar), yang secara berkesan menamakan segmen memori yang dikongsi Apabila fungsi shmget berjaya, ia mengembalikan bahagian yang dikongsi pengecam ingatan yang berkaitan dengan kunci (integer bukan negatif), digunakan dalam fungsi ingatan dikongsi berikutnya. Panggilan gagal dan kembali -1.

Proses yang tidak berkaitan boleh mengakses memori kongsi yang sama melalui nilai pulangan fungsi ini, yang mewakili sumber yang mungkin digunakan oleh program Akses program kepada semua memori yang dikongsi adalah tidak langsung Program memanggil fungsi shmget dan menyediakan kunci , dan maka sistem menjana pengecam memori kongsi yang sepadan (nilai pulangan fungsi shmget hanya menggunakan kekunci semaphore secara langsung, dan semua fungsi semaphore lain menggunakan pengecam semaphore yang dikembalikan oleh fungsi semget.

Parameter kedua, saiz menentukan kapasiti memori untuk dikongsi dalam bait

Parameter ketiga, shmflg ialah bendera kebenaran Fungsinya adalah sama dengan parameter mod fungsi terbuka Jika anda ingin mencipta memori bersama yang dikenal pasti oleh kunci apabila ia tidak wujud, anda boleh melakukan atau mengendalikan dengan IPC_CREAT. . Bendera kebenaran memori kongsi adalah sama dengan kebenaran baca dan tulis fail Contohnya, 0644, yang bermaksud bahawa memori kongsi yang dicipta oleh proses dibenarkan untuk dibaca dan ditulis ke memori dikongsi oleh proses yang dimiliki. oleh pencipta memori Pada masa yang sama, pengguna lain mencipta Proses hanya boleh membaca memori yang dikongsi.

2. fungsi shmat

Apabila memori yang dikongsi dibuat buat kali pertama, ia tidak boleh diakses oleh sebarang proses Fungsi fungsi shmat adalah untuk memulakan akses kepada memori yang dikongsi dan menyambungkan memori yang dikongsi ke ruang alamat proses semasa. Prototaipnya adalah seperti berikut:

1. **void** *shmat(**int** shm_id, **const** **void** *shm_addr, **int** shmflg); 
   

Parameter pertama, shm_id ialah pengenalan memori kongsi yang dikembalikan oleh fungsi shmget.

Parameter kedua, shm_addr, menentukan lokasi alamat tempat memori kongsi disambungkan ke proses semasa Ia biasanya kosong, menunjukkan bahawa sistem dibenarkan memilih alamat memori kongsi.

Parameter ketiga, shm_flg ialah set bit bendera, biasanya 0.

Jika panggilan berjaya, ia akan mengembalikan penuding ke bait pertama memori kongsi Jika panggilan gagal, ia akan kembali -1.

3. fungsi shmdt

Fungsi ini digunakan untuk menanggalkan memori yang dikongsi daripada proses semasa. Ambil perhatian bahawa menanggalkan memori yang dikongsi tidak memadamkannya, ia hanya menjadikan memori yang dikongsi tidak lagi tersedia untuk proses semasa. Prototaipnya adalah seperti berikut:

 1. **int** shmdt(**const** **void** *shmaddr); 

Parameter shmaddr ialah penunjuk alamat yang dikembalikan oleh fungsi shmat Ia mengembalikan 0 apabila panggilan berjaya dan -1 apabila ia gagal.

4. fungsi shmctl

Sama seperti fungsi semctl semaphore, ia digunakan untuk mengawal memori bersama Prototaipnya adalah seperti berikut:

1. **int** shmctl(**int** shm_id, **int** command, **struct** shmid_ds *buf); 
   

第一个参数，shm_id是shmget函数返回的共享内存标识符。

第二个参数，command是要采取的操作，它可以取下面的三个值 ：

IPC_STAT：把shmid_ds结构中的数据设置为共享内存的当前关联值，即用共享内存的当前关联值覆盖shmid_ds的值。

IPC_SET：如果进程有足够的权限，就把共享内存的当前关联值设置为shmid_ds结构中给出的值

IPC_RMID：删除共享内存段

第三个参数，buf是一个结构指针，它指向共享内存模式和访问权限的结构。

shmid_ds结构至少包括以下成员：

1. struct** shmid_ds 
2. { 
3.   uid_t shm_perm.uid; 
4.   uid_t shm_perm.gid; 
5.   mode_t shm_perm.mode; 
6. }; 

三、使用共享内存进行进程间通信

说了这么多，又到了实战的时候了。下面就以两个不相关的进程来说明进程间如何通过共享内存来进行通信。其中一个文件shmread.c创建共享内存，并读取其中的信息，另一个文件shmwrite.c向共享内存中写入数据。为了方便操作和数据结构的统一，为这两个文件定义了相同的数据结构，定义在文件shmdata.c中。结构shared_use_st中的written作为一个可读或可写的标志，非0：表示可读，0表示可写，text则是内存中的文件。

shmdata.h的源代码如下：

1. \#ifndef _SHMDATA_H_HEADER 
2. \#define _SHMDATA_H_HEADER 
3.  
4. \#define TEXT_SZ 2048 
5.  
6. **struct** shared_use_st 
7. { 
8.   **int** written;//作为一个标志，非0：表示可读，0表示可写 
9.   **char** text[TEXT_SZ];//记录写入和读取的文本 
10. }; 
11.  
12. \#endif 

源文件shmread.c的源代码如下：

1. 1. \#include  
   2. \#include  
   3. \#include  
   4. \#include  
   5. \#include "shmdata.h" 
   6.  
   7. **int** main() 
   8. { 
   9.   **int** running = 1;//程序是否继续运行的标志 
   10.   **void** *shm = NULL;//分配的共享内存的原始首地址 
   11.   **struct** shared_use_st *shared;//指向shm 
   12.   **int** shmid;//共享内存标识符 
   13.   //创建共享内存 
   14.   shmid = shmget((key_t)1234, **sizeof**(**struct** shared_use_st), 0666|IPC_CREAT); 
   15.   **if**(shmid == -1) 
   16.   { 
   17. ​    fprintf(stderr, "shmget failed\n"); 
   18. ​    exit(EXIT_FAILURE); 
   19.   } 
   20.   //将共享内存连接到当前进程的地址空间 
   21.   shm = shmat(shmid, 0, 0); 
   22.   **if**(shm == (**void***)-1) 
   23.   { 
   24. ​    fprintf(stderr, "shmat failed\n"); 
   25. ​    exit(EXIT_FAILURE); 
   26.   } 
   27.   printf("\nMemory attached at %X\n", (**int**)shm); 
   28.   //设置共享内存 
   29.   shared = (**struct** shared_use_st*)shm; 
   30.   shared->written = 0; 
   31.   **while**(running)//读取共享内存中的数据 
   32.   { 
   33. ​    //没有进程向共享内存定数据有数据可读取 
   34. ​    **if**(shared->written != 0) 
   35. ​    { 
   36. ​      printf("You wrote: %s", shared->text); 
   37. ​      sleep(rand() % 3); 
   38. ​      //读取完数据，设置written使共享内存段可写 
   39. ​      shared->written = 0; 
   40. ​      //输入了end，退出循环（程序） 
   41. ​      **if**(strncmp(shared->text, "end", 3) == 0) 
   42. ​        running = 0; 
   43. ​    } 
   44. ​    **else**//有其他进程在写数据，不能读取数据 
   45. ​      sleep(1); 
   46.   } 
   47.   //把共享内存从当前进程中分离 
   48.   **if**(shmdt(shm) == -1) 
   49.   { 
   50. ​    fprintf(stderr, "shmdt failed\n"); 
   51. ​    exit(EXIT_FAILURE); 
   52.   } 
   53.   //删除共享内存 
   54.   **if**(shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1) 
   55.   { 
   56. ​    fprintf(stderr, "shmctl(IPC_RMID) failed\n"); 
   57. ​    exit(EXIT_FAILURE); 
   58.   } 
   59.   exit(EXIT_SUCCESS); 
   60. } 
   

源文件shmwrite.c的源代码如下：

1. \#include  
2. \#include  
3. \#include  
4. \#include  
5. \#include  
6. \#include "shmdata.h" 
7.  
8. **int** main() 
9. { 
10.   **int** running = 1; 
11.   **void** *shm = NULL; 
12.   **struct** shared_use_st *shared = NULL; 
13.   **char** buffer[BUFSIZ + 1];//用于保存输入的文本 
14.   **int** shmid; 
15.   //创建共享内存 
16.   shmid = shmget((key_t)1234, **sizeof**(**struct** shared_use_st), 0666|IPC_CREAT); 
17.   **if**(shmid == -1) 
18.   { 
19. ​    fprintf(stderr, "shmget failed\n"); 
20. ​    exit(EXIT_FAILURE); 
21.   } 
22.   //将共享内存连接到当前进程的地址空间 
23.   shm = shmat(shmid, (**void***)0, 0); 
24.   **if**(shm == (**void***)-1) 
25.   { 
26. ​    fprintf(stderr, "shmat failed\n"); 
27. ​    exit(EXIT_FAILURE); 
28.   } 
29.   printf("Memory attached at %X\n", (**int**)shm); 
30.   //设置共享内存 
31.   shared = (**struct** shared_use_st*)shm; 
32.   **while**(running)//向共享内存中写数据 
33.   { 
34. ​    //数据还没有被读取，则等待数据被读取,不能向共享内存中写入文本 
35. ​    **while**(shared->written == 1) 
36. ​    { 
37. ​      sleep(1); 
38. ​      printf("Waiting...\n"); 
39. ​    } 
40. ​    //向共享内存中写入数据 
41. ​    printf("Enter some text: "); 
42. ​    fgets(buffer, BUFSIZ, stdin); 
43. ​    strncpy(shared->text, buffer, TEXT_SZ); 
44. ​    //写完数据，设置written使共享内存段可读 
45. ​    shared->written = 1; 
46. ​    //输入了end，退出循环（程序） 
47. ​    **if**(strncmp(buffer, "end", 3) == 0) 
48. ​      running = 0; 
49.   } 
50.   //把共享内存从当前进程中分离 
51.   **if**(shmdt(shm) == -1) 
52.   { 
53. ​    fprintf(stderr, "shmdt failed\n"); 
54. ​    exit(EXIT_FAILURE); 
55.   } 
56.   sleep(2); 
57.   exit(EXIT_SUCCESS); 
58. } 

再来看看运行的结果：

分析：

1、程序shmread创建共享内存，然后将它连接到自己的地址空间。在共享内存的开始处使用了一个结构struct_use_st。该结构中有个标志written，当共享内存中有其他进程向它写入数据时，共享内存中的written被设置为0，程序等待。当它不为0时，表示没有进程对共享内存写入数据，程序就从共享内存中读取数据并输出，然后重置设置共享内存中的written为0，即让其可被shmwrite进程写入数据。

2、程序shmwrite取得共享内存并连接到自己的地址空间中。检查共享内存中的written，是否为0，若不是，表示共享内存中的数据还没有被完，则等待其他进程读取完成，并提示用户等待。若共享内存的written为0，表示没有其他进程对共享内存进行读取，则提示用户输入文本，并再次设置共享内存中的written为1，表示写完成，其他进程可对共享内存进行读操作。

四、关于前面的例子的安全性讨论

这个程序是不安全的，当有多个程序同时向共享内存中读写数据时，问题就会出现。可能你会认为，可以改变一下written的使用方式，例如，只有当written为0时进程才可以向共享内存写入数据，而当一个进程只有在written不为0时才能对其进行读取，同时把written进行加1操作，读取完后进行减1操作。这就有点像文件锁中的读写锁的功能。咋看之下，它似乎能行得通。但是这都不是原子操作，所以这种做法是行不能的。试想当written为0时，如果有两个进程同时访问共享内存，它们就会发现written为0，于是两个进程都对其进行写操作，显然不行。当written为1时，有两个进程同时对共享内存进行读操作时也是如些，当这两个进程都读取完是，written就变成了-1.

要想让程序安全地执行，就要有一种进程同步的进制，保证在进入临界区的操作是原子操作。例如，可以使用前面所讲的信号量来进行进程的同步。因为信号量的操作都是原子性的。

五、使用共享内存的优缺点

1、优点：我们可以看到使用共享内存进行进程间的通信真的是非常方便，而且函数的接口也简单，数据的共享还使进程间的数据不用传送，而是直接访问内存，也加快了程序的效率。同时，它也不像匿名管道那样要求通信的进程有一定的父子关系。

2、缺点：共享内存没有提供同步的机制，这使得我们在使用共享内存进行进程间通信时，往往要借助其他的手段来进行进程间的同步工作。

Atas ialah kandungan terperinci Kaedah yang cekap untuk komunikasi antara proses Linux: menggunakan memori yang dikongsi. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!