进程间通信IPC之--共享内存

每个进程各自有不同的用户地址空间，任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程之间要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信（IPC，InterProcess Communication）

如下图所示：

进程间通信共七种方式：

第一类：传统的unix通信机制：

　　# 管道( pipe )：管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。
　　# 有名管道 (named pipe) ：有名管道也是半双工的通信方式，但是它允许无亲缘关系进程间的通信。

　　# 信号 ( sinal ) ：信号是一种比较复杂的通信方式，用于通知接收进程某个事件已经发生。

第二类：System V IPC：
　　# 信号量( semophore ) ：信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。
　　# 消息队列( message queue ) ：消息队列是由消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。消息队列克服了信号传递信息少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。
　　# 共享内存( shared memory ) ：共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号两，配合使用，来实现进程间的同步和通信。

第三类：BSD 套接字：

　　# 套接字( socket ) ：套解字也是一种进程间通信机制，与其他通信机制不同的是，它可用于不同及其间的进程通信。

介绍一下IPC之共享内存：

　　共享内存允许两个或更多进程访问同一块内存，就如同 malloc() 函数向不同进程返回了指向同一个物理内存区域的指针。当一个进程改变了这块地址中的内容的时候，其它进程都会察觉到这个更改。进程可以直接读取共享内存，不需要拷贝数据。由于多个进程共享同一块内存区域，必然需要某种同步机制，互斥锁和信号量都可以。

步骤：

共享内存的使用，主要有以下几个API：ftok()、shmget()、shmat()、shmdt()及shmctl()

①创建/打开共享内存

int shmget(key_t key,int size,int shmflag);
例：
key = ftok(".", 'm');
shmid = shmget(key,1024,0666|IPC_CREAT|IPC_EXCL);

参数说明：

　　key：是这块共享内存的标识符。如果是父子关系的进程间通信的话，这个标识符用IPC_PRIVATE来代替。如果两个进程没有任何关系，所以就用ftok()算出来一个标识符（或者自己定义一个）使用了。

　　产生key的方法：key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

　　1）pathname一定要在系统中存在并且进程能够访问的

　　2）proj_id是一个1－255之间的一个整数值，典型的值是一个ASCII值。如'a'，考虑到应用系统可能在不同的主机上应用，可以直接定义一个key，而不用ftok获得：

　　#define IPCKEY 0x344378

　　size：申请内存的大小

　　shmflag: 这块内存的模式(mode)以及权限标识（0666等）。

　　模式可取如下值：
　　IPC_CREAT 新建（如果已创建则返回目前共享内存的id）
　　IPC_EXCL 与IPC_CREAT结合使用，如果已创建则则返回错误

　其他模式略

　　申请的内存里面为空，即全为0

②映射共享内存，即把指定的共享内存映射到进程的地址空间用于访问

void *shmat( int shmid , char *shmaddr , int shmflag );
例：
void *p;
p=shmat(shmid,NULL,0);

参数说明：

　　shmid:是那块共享内存的ID。

　　shmaddr:共享内存映射的起始地址,一般不指定即NULL

　　shmflag：本进程对该内存的操作模式。如果是SHM_RDONLY的话，就是只读模式。0是读写模式

　　返回值：成功时，这个函数返回共享内存的起始地址。失败时返回-1。

③撤销共享内存映射，删除本进程对这块内存的使用

　　int shmdt(const void* shmaddr);

　　例：

　　shmdt(p);

　　参数说明：

　　shmaddr:共享内存的起始地址。

　　返回值：成功时返回0。失败时返回-1。

④删除共享内存对象

　　int shmctl( int shmid , int cmd , struct shmid_ds *buf );

　　例：

　　shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);(删除共享内存)
　　参数说明：

　　shmid:共享内存的ID。
　　cmd:控制命令，可取值如下：
        IPC_STAT        得到共享内存的状态
        IPC_SET         改变共享内存的状态
        IPC_RMID        删除共享内存
buf：一个结构体指针。用以保存/设置属性。IPC_STAT的时候，取得的状态放在这个结构体中。如果要改变共享内存的状态，用这个结构体指定。
返回值：成功时返回0。失败时返回-1。

功能说明：两个进程通过共享内存一个写一个读并打印数据

写：

/*name:writer.c
 *function:写端进程向共享内存写数据
 * */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#define N 64
typedef struct 
{
    pid_t pid;
    char buf[N];
} SHM;
void handler(int signo)
{
    //printf("get signal
");
    return;
}
int main()
{
    key_t key;
    int shmid;
    SHM *p;
    pid_t pid;
    if ((key = ftok(".", 'm')) < 0)
    {
        perror("fail to ftok");
        exit(-1);
    }
    signal(SIGUSR1, handler);//注册一个信号处理函数
    if ((shmid = shmget(key, sizeof(SHM), 0666|IPC_CREAT|IPC_EXCL)) < 0)
    {
        if (EEXIST == errno)//存在则直接打开
        {
            shmid = shmget(key, sizeof(SHM), 0666);
            p = (SHM *)shmat(shmid, NULL, 0);
            pid = p->pid;
            p->pid = getpid();
            kill(pid, SIGUSR1);
        }
        else//出错
        {
            perror("fail to shmget");
            exit(-1);
        }
    }
    else//成功 
    {
        p = (SHM *)shmat(shmid, NULL, 0);
        p->pid = getpid();//把自己的pid写到共享内存
        pause();
        pid = p->pid;//得到读端进程的pid
    }
    while ( 1 )
    {
        printf("write to shm : ");
        fgets(p->buf, N, stdin);//接收输入
        kill(pid, SIGUSR1);//向读进程发SIGUSR1信号
        if (strcmp(p->buf, "quit
") == 0) break;
        pause();//阻塞，等待信号
    }
    shmdt(p);
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);//删除共享内存
    return 0;
}

读：

/*name:reader.c
 *function:读端进程从共享内存中读数据
 * */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#define N 64
typedef struct 
{
    pid_t pid;
    char buf[N];
} SHM;
void handler(int signo)
{
    //printf("get signal
");
    return;
}
int main()
{
    key_t key;
    int shmid;
    SHM *p;
    pid_t pid;
    if ((key = ftok(".", 'm')) < 0)
    {
        perror("fail to ftok");
        exit(-1);
    }
    signal(SIGUSR1, handler);//注册一个信号处理函数
    if ((shmid = shmget(key, sizeof(SHM), 0666|IPC_CREAT|IPC_EXCL)) < 0)
    {
        if (EEXIST == errno)//存在则直接打开
        {
            shmid = shmget(key, sizeof(SHM), 0666);
            p = (SHM *)shmat(shmid, NULL, 0);
            pid = p->pid;
            p->pid = getpid();//把自己的pid写到共享内存
            kill(pid, SIGUSR1);
        }
        else//出错
        {
            perror("fail to shmget");
            exit(-1);
        }
    }
    else//成功
    {
        p = (SHM *)shmat(shmid, NULL, 0);
        p->pid = getpid();
        pause();
        pid = p->pid;//得到写端进程的pid
    }
    while ( 1 )
    {
        pause();//阻塞，等待信号
        if (strcmp(p->buf, "quit
") == 0) exit(0);//输入"quit结束"
        printf("read from shm : %s", p->buf);
        kill(pid, SIGUSR1);//向写进程发SIGUSR1信号
    }
    return 0;
}