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linux进程间通信：POSIX 共享内存

编程日记 2024-04-25 14:30:00

文章目录

        • 思维导图
        • 通信原理
        • 优势
        • POSIX 共享内存 编程接口
        • 编程案例

思维导图

在这里插入图片描述
之前学习过sysemV 的共享内存的实现及使用原理，参考linux进程间通信：system V 共享内存
POSIX 同样提供共享内存的接口，基本原理和system V的共享内存是一样的。

通信原理

  • 多个进程共享物理内存的同一块区域（通常称之为“段”:segment）
  • 抛弃了内核态消息转存处理的过程，让两个进程直接通过一块内存进行通信

我们普通的像PIPE,FIFO,消息队列等的通信方式如下图：
在这里插入图片描述
这种方式的通信不论读写，都需要内核态（系统调用 read,write,pipe,mkfifo,msgget,msgsnd,msgrcv等）的介入，而且都需要经过数据从虚拟地址空间到物理地址空间的拷贝。
而共享内存的通信方式则都避免了以上的通信问题，直接为两个进程开辟相同的内存空间进行数据交互。
在这里插入图片描述

优势

  • 减少了内存的拷贝（从用户拷贝到内核，从内核拷贝到用户）
  • 减少了2次系统调用（系统调用比较消耗性能，因为CPU处理系统调用时需要从用户态切换到内核态），提高了系统性能

POSIX 共享内存 编程接口

关于共享内存的接口详细使用就不一一描述，可以通过man shm_open这种类似的方式查看具体如何使用接口

//创建共享内存
int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);
//当共享内存引用计数为0时，删除共享内存
int shm_unlink(const char *name);
//获取文件相关的信息，将获取到的信息放入到statbuf结构体中
int fstat(int fd, struct stat *statbuf);
//调整文件大小，通过裁剪指定字节达到对文件大小的精准控制
int ftruncate(int fd, off_t length);
//将进程空间的文件映射到内存，也可以将进程空间的匿名区域映射到内存
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset);
//解除文件或者匿名映射
int munmap(void *addr, size_t length);

以上接口包含头文件 <sys/mman.h> <sys/mman.h>

编程案例

  1. 共享内存基本使用
    shm_read.c 共享内存的读端

    #include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>#define SHM_NAME "/shm"int main() {int shm_fd;//创建共享内存文件标识符shm_fd = shm_open(SHM_NAME, O_RDWR | O_CREAT, 0666);if (shm_fd == -1) {printf("shm_open failed\n");}//设置共享内存的文件大小ftruncate(shm_fd , 8192);//获取共享内存文件相关属性信息，这里获取的是文件大小struct stat filestat;fstat(shm_fd, &filestat);printf("st_size :%ld\n",filestat.st_size);//映射共享内存，并获取共享内存的地址char *shm_ptr;shm_ptr = (char*)mmap(NULL,filestat.st_size,\PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,shm_fd,0);close(shm_fd);//获取共享内存地址中的内容并打印，最后再解除映射，删除共享内存printf("pid %d:%s\n",getpid(),shm_ptr);munmap(shm_ptr, filestat.st_size);shm_unlink(SHM_NAME);return 0;
}

    shm_write.c共享内存的写端

    #include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>#define SHM_NAME "/shm"int main() {int shm_fd;//创建和读端相同的文件标识shm_fd = shm_open(SHM_NAME, O_RDWR | O_CREAT, 0666);if (shm_fd == -1) {printf("shm_open failed\n");}ftruncate(shm_fd , 8192);struct stat filestat;fstat(shm_fd, &filestat);printf("st_size :%ld\n",filestat.st_size);char *shm_ptr;shm_ptr = (char*)mmap(NULL,filestat.st_size,\PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,shm_fd,0);close(shm_fd);//向共享内存中写入数据，这里利用memmove进行内存拷贝写入char buf[] = "hello world";memmove(shm_ptr,buf,sizeof(buf));printf("pid %d:%s\n",getpid(),shm_ptr);//写入完成后解除映射munmap(shm_ptr, filestat.st_size);return 0;
}

    编译gcc shm_read.c -o read -lrt gcc shm_write.c -o write -lrt
    输出如下：
    在这里插入图片描述

  2. 共享内存和信号量一同使用，内存访问的同步
    当读端能够读出的前提是读的时候信号量的value值为1，否则无法读出
    同样写的时候对信号量进行v操作，将信号量的value值加1，为读提供同步条件

    实现如下
    读端sem_shm_read.c

    #include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <semaphore.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>#define SHM_NAME "/shm"
#define SEM_NAME "/memmap_sem"int main() {//增加信号量的初始创建int shm_fd;sem_t *sem;shm_fd = shm_open(SHM_NAME, O_RDWR | O_CREAT, 0666);sem = sem_open(SEM_NAME, O_CREAT, 0666, 0);if (shm_fd == -1 || sem == SEM_FAILED) {printf("open failed\n");_exit(-1);}ftruncate(shm_fd , 8192);struct stat filestat;fstat(shm_fd, &filestat);printf("st_size :%ld\n",filestat.st_size);char *shm_ptr;shm_ptr = (char*)mmap(NULL,filestat.st_size,\PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,shm_fd,0);close(shm_fd);//读的时候对信号量做p操作（-1），如果信号量此时为0时则无法读出sem_wait(sem);printf("pid %d:%s\n",getpid(),shm_ptr);sem_close(sem);//读完之后删除共享内存，删除信号量munmap(shm_ptr, filestat.st_size);shm_unlink(SHM_NAME);sem_unlink(SEM_NAME);return 0;
}

    写端shm_write.c

    #include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <semaphore.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>#define SHM_NAME "/shm"
#define SEM_NAME "/memmap_sem"int main() {int shm_fd;sem_t *sem;shm_fd = shm_open(SHM_NAME, O_RDWR | O_CREAT, 0666);sem = sem_open(SEM_NAME, O_CREAT, 0666, 0);if (shm_fd == -1 || sem == SEM_FAILED) {printf("open failed\n");_exit(-1);}ftruncate(shm_fd , 8192);struct stat filestat;fstat(shm_fd, &filestat);printf("st_size :%ld\n",filestat.st_size);char *shm_ptr;shm_ptr = (char*)mmap(NULL,filestat.st_size,\PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,shm_fd,0);close(shm_fd);char buf[] = "hello world";memmove(shm_ptr,buf,sizeof(buf));printf("pid %d:%s\n",getpid(),shm_ptr);//写的时候对信号量的值执行v（+1）操作， 方便后续的读sem_post(sem);sem_close(sem);munmap(shm_ptr, filestat.st_size);return 0;
}

https://www.dkcj.cn/info/5207.html

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