進程間通信IPC之--共享內存

每個進程各自有不同的用戶地址空間，任何一個進 程的全局變量在另一個進程中都看不到，所以進程之間要交換數據必須通過內核，在內核中開闢一塊緩衝 區，進程1把數據從用戶空間拷到內核緩衝區，進程2再從內核緩衝區把數據讀走，內核提供的這種機制稱爲進程間通信（IPC，InterProcess Communication）

如下圖所示：

進程間通信共七種方式：

第一類：傳統的unix通信機制：

# 管道( pipe )：管道是一種半雙工的通信方式，數據只能單向流動，而且只能在具有親緣關係的進程間使用。進程的親緣關係通常是指父子進程關係。
# 有名管道 (named pipe) ： 有名管道也是半雙工的通信方式，但是它允許無親緣關係進程間的通信。

# 信號 ( sinal ) ： 信號是一種比較複雜的通信方式，用於通知接收進程某個事件已經發生。

第二類：System V IPC： 
# 信號量( semophore ) ： 信號量是一個計數器，可以用來控制多個進程對共享資源的訪問。它常作爲一種鎖機制，防止某進程正在訪問共享資源時，其他進程也訪問該資源。因此，主要作爲進程間以及同一進程內不同線程之間的同步手段。
# 消息隊列( message queue ) ： 消息隊列是由消息的鏈表，存放在內核中並由消息隊列標識符標識。消息隊列克服了信號傳遞信息少、管道只能承載無格式字節流以及緩衝區大小受限等缺點。
# 共享內存( shared memory ) ：共享內存就是映射一段能被其他進程所訪問的內存，這段共享內存由一個進程創建，但多個進程都可以訪問。共享內存是最快的 IPC 方式，它是針對其他進程間通信方式運行效率低而專門設計的。它往往與其他通信機制，如信號兩，配合使用，來實現進程間的同步和通信。

第三類：BSD 套接字：

# 套接字( socket ) ： 套解字也是一種進程間通信機制，與其他通信機制不同的是，它可用於不同及其間的進程通信。

本文介紹IPC之共享內存：

共享內存允許兩個或更多進程訪問同一塊內存，就如同 malloc() 函數向不同進程返回了指向同一個物理內存區域的指針。當一個進程改變了這塊地址中的內容的時候，其它進程都會察覺到這個更改。進程可以直接讀取共享內存，不需要拷貝數據。由於多個進程共享同一塊內存區域，必然需要某種同步機制，互斥鎖和信號量都可以。

步驟：

共享內存的使用，主要有以下幾個API：ftok()、shmget()、shmat()、shmdt()及shmctl()

①創建/打開共享內存

int shmget(key_t key,int size,int shmflag);

例：

key = ftok(".", 'm');

shmid = shmget(key,1024,0666|IPC_CREAT|IPC_EXCL);

參數說明：

key：是這塊共享內存的標識符。如果是父子關係的進程間通信的話，這個標識符用IPC_PRIVATE來代替。如果兩個進程沒有任何關係，所以就用ftok()算出來一個標識符（或者自己定義一個）使用了。

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

1）pathname一定要在系統中存在並且進程能夠訪問的

2）proj_id是一個1－255之間的一個整數值，典型的值是一個ASCII值。如'a'，考慮到應用系統可能在不同的主機上應用，可以直接定義一個key，而不用ftok獲得：

#define IPCKEY 0x344378

size：申請內存的大小

shmflag:  這塊內存的模式(mode)以及權限標識（0666等）。 

 模式可取如下值：        
IPC_CREAT 新建（如果已創建則返回目前共享內存的id）
IPC_EXCL   與IPC_CREAT結合使用，如果已創建則則返回錯誤 

 其他模式略

申請的內存裏面爲空，即全爲0

②映射共享內存，即把指定的共享內存映射到進程的地址空間用於訪問

void *shmat( int shmid , char *shmaddr , int shmflag );

例：

void *p;

p=shmat(shmid,NULL,0);

參數說明：

shmid:是那塊共享內存的ID。

shmaddr:共享內存映射的起始地址,一般不指定即NULL

shmflag：本進程對該內存的操作模式。如果是SHM_RDONLY的話，就是隻讀模式。0是讀寫模式

返回值： 成功時，這個函數返回共享內存的起始地址。失敗時返回-1。

③撤銷共享內存映射，刪除本進程對這塊內存的使用

int shmdt(const void* shmaddr);

例：

shmdt(p);

參數說明：

shmaddr:共享內存的起始地址。

返回值：成功時返回0。失敗時返回-1。

④刪除共享內存對象

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

例：

shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);(刪除共享內存)
參數說明：

shmid:共享內存的ID。
cmd:控制命令，可取值如下：
        IPC_STAT        得到共享內存的狀態
        IPC_SET         改變共享內存的狀態
        IPC_RMID        刪除共享內存
buf：一個結構體指針。用以保存/設置屬性。IPC_STAT的時候，取得的狀態放在這個結構體中。如果要改變共享內存的狀態，用這個結構體指定。
返回值：成功時返回0。失敗時返回-1。

無代碼無真相

功能說明：兩個進程通過共享內存一個寫一個讀並打印數據

/*name:writer.c
 *function:寫端進程向共享內存寫數據
 * */
#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\n");
    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);//註冊一個信號處理函數
    if ((shmid = shmget(key, sizeof(SHM), 0666|IPC_CREAT|IPC_EXCL)) < 0)
    {
        if (EEXIST == errno)//存在則直接打開
        {
            shmid = shmget(key, sizeof(SHM), 0666);
            p = (SHM *)shmat(shmid, NULL, 0);
            pid = p->pid;
            p->pid = getpid();
            kill(pid, SIGUSR1);
        }
        else//出錯
        {
            perror("fail to shmget");
            exit(-1);
        }
    }
    else//成功
    {
        p = (SHM *)shmat(shmid, NULL, 0);
        p->pid = getpid();//把自己的pid寫到共享內存
        pause();
        pid = p->pid;//得到讀端進程的pid
    }

    while ( 1 )
    {
        printf("write to shm : ");
        fgets(p->buf, N, stdin);//接收輸入
        kill(pid, SIGUSR1);//向讀進程發SIGUSR1信號
        if (strcmp(p->buf, "quit\n") == 0) break;
        pause();//阻塞，等待信號
    }
    shmdt(p);
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);//刪除共享內存

    return 0;
}

/*name:reader.c
 *function:讀端進程從共享內存中讀數據
 * */
#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\n");
    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);//註冊一個信號處理函數
    if ((shmid = shmget(key, sizeof(SHM), 0666|IPC_CREAT|IPC_EXCL)) < 0)
    {
        if (EEXIST == errno)//存在則直接打開
        {
            shmid = shmget(key, sizeof(SHM), 0666);
            p = (SHM *)shmat(shmid, NULL, 0);
            pid = p->pid;
            p->pid = getpid();//把自己的pid寫到共享內存
            kill(pid, SIGUSR1);
        }
        else//出錯
        {
            perror("fail to shmget");
            exit(-1);
        }
    }
    else//成功
    {
        p = (SHM *)shmat(shmid, NULL, 0);
        p->pid = getpid();
        pause();
        pid = p->pid;//得到寫端進程的pid
    }

    while ( 1 )
    {
        pause();//阻塞，等待信號
        if (strcmp(p->buf, "quit\n") == 0) exit(0);//輸入"quit結束"
        printf("read from shm : %s", p->buf);
        kill(pid, SIGUSR1);//向寫進程發SIGUSR1信號
    }

    return 0;
}