进程间通信-POSIX 共享内存

POSIX 共享内存

POSIX 共享内存是一种在 Linux 系统上使用的共享内存机制，它允许多个进程可以访问同一个内存区域，从而实现进程间的数据共享。共享内存是可用IPC机制中最快的，使用共享内存不必频繁拷贝数据。但也需要注意，由于共享内存段中的数据可以被多个进程同时访问，因此需要在程序设计中考虑好数据同步和互斥机制，以避免出现数据竞争和不一致的情况。

共享内存使用的基本步骤：

• 通过 shm_open() 函数创建了共享内存区域,此时会在 /dev/shm/ 创建共享内存文件。
• 通过 ftruncate() 函数改变共享内存的大小，一般设置为页大小 sysconf(_SC_PAGE_SIZE) 的整数倍。
• 通过 mmap() 函数将创建的共享内存文件映射到内存。
• 通过 munmap() 卸载共享内存。
• 通过 shm_unlink() 删除内存共享文件。

下面分别介绍这些函数。

创建共享内存-shm_open() 函数

shm_open() 函数是用于创建或打开一个共享内存对象，该函数定义如下：

#include <sys/mman.h>

int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);

参数说明

• name：指定共享内存对象的名称，其命名规则类似于文件系统中的文件名，不同进程可以通过相同的名字来访问同一个共享内存对象。
• oflag：指定打开方式。
• mode：创建文件时的权限。

返回值

• 如果函数执行成功，返回一个文件描述符，可以用于后续操作共享内存对象。
• 如果发生错误，返回 -1。可以通过 errno 变量来获取具体的错误信息。

共享内存对象通过IPC名字描述，当成功创建共享内存对象，系统会以文件形式将其保存在 /dev/shm 目录下。

更改文件大小-ftruncate() 函数

ftruncate() 函数用于更改文件大小，该函数定义如下：

#include <unistd.h>

int ftruncate(int fd, off_t length);

参数说明

• fd：一个已经打开的文件描述符，用于指定需要更改大小的文件。
• length：指定文件应当调整到的新大小，单位是字节。

返回值

• 如果函数执行成功，返回值为0。
• 如果发生错误，返回 -1。可以通过 errno 变量来获取具体的错误信息。

如果文件在调整大小后比原来更大，文件的数据将会被扩展，多出的部分以0填充。如果文件在调整大小后比原来更小，多出的部分将会被删除。

在调整文件大小时，尽量选择当前系统页大小的整数倍，可以通过 sysconf(_SC_PAGE_SIZE) 获取当前系统的页大小。

内存映射-mmap()函数

mmap() 函数用于创建内存映射区域，该函数定义如下：

#include <sys/mman.h>

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, 
                       int flags, int fd, off_t offset);

参数说明

• addr：指定希望内存映射区域的起始地址，通常设为 NULL，由系统自动选择合适的地址。
• length：指定需要映射的内存区域的长度，单位是字节。
• prot：用于设置内存区域的保护权限，不能与文件的打开模式冲突。可以是如下值的组合：
• PROT_NONE：内存区域不可访问。
• PROT_WRITE：内存区域可以被写入。
• PROT_READ：内存区域可以被读取。
• PROT_EXEC：内存区域可以被执行。
• flags：指定映射对象的类型。下面列出一些常用项：
• MAP_SHARED：与文件进行共享映射，可以实现多个进程之间共享数据的操作。对映射区域的修改会反映到文件中，同样文件的修改也会反映到映射区域中。
• MAP_PRIVATE：创建一个私有的映射副本，进程之间不共享数据。对映射区域的修改不会反映到文件中，也不会影响其他映射该文件的进程。
• MAP_LOCKED：映射区域会被锁定在物理内存中，防止页面被交换出去，保证内存访问速度，但可能会导致内存资源消耗较大。
• fd：已打开文件的文件描述符，用于与内存映射区域关联。
• offset：文件中的偏移量，指定文件的起始映射位置。

返回值

• 如果函数执行成功，返回一个指向映射区域的指针。
• 如果发生错误，返回 MAP_FAILED(-1) 。可以通过 errno 变量来获取具体的错误信息。

映射方式如下：

数据同步-msync()函数

如果指定了 MAP_SHARED 标志，Linux内核会保持内存映射文件与内存映射区的同步，但这种同步可能不会立即生效，此时，可以使用 msync() 函数来确保数据已经同步完成。该函数定义如下：

#include <sys/mman.h>

int msync(void *addr, size_t length, int flags);

参数说明

• addr：指向共享内存区域的指针。
• length：需要同步的共享内存区域的长度。
• flags：用来指定额外的行为。有如下取值：
• MS_SYNC：强制将修改同步到存储设备，数据量大时，可能会导致阻塞。
• MS_ASYNC：将修改排入写队列，不会等待写操作完成。
• MS_INVALIDATE：标记共享内存区域已经无效，使下次访问该区域时重新从底层存储器加载数据。

返回值

• 如果函数执行成功，函数返回 0。
• 如果函数执行失败，函数返回 -1，可以通过 errno 变量来获取具体的错误信息。

注意事项

• msync() 函数的调用可能会比较耗时，因此需要考虑性能问题。
• msync() 函数只适用于共享内存，对于普通的内存操作并不适用。

卸载共享内存-munmap()函数

munmap() 函数用于取消指定的地址空间内存映射。该函数定义如下：

#include <sys/mman.h>

int munmap(void *addr, size_t length);

参数说明

• addr：要取消映射的内存区域的起始地址。是由 mmap() 函数返回的地址。
• length：要取消映射的内存区域的长度。

返回值

• 如果函数执行成功，函数返回 0。
• 如果函数执行失败，函数返回 -1，可以通过 errno 变量来获取具体的错误信息。

注意事项

• 只能取消由 mmap() 函数创建的内存映射区域，否则会导致未定义行为。
• 要确保取消映射的地址和长度是有效的，否则会导致程序崩溃或内存泄漏。
• 取消映射后，原先映射的内存区域就会被释放，程序不应再访问这部分内存。

删除共享内存文件-shm_unlink()函数

shm_unlink()函数用于删除共享内存文件，后续其他进程将无法通过这个名称打开该共享内存对象。该函数定义如下：

#include <sys/mman.h>

int shm_unlink(const char *name);

参数说明

• name：要删除的 POSIX 共享内存对象的名称。

返回值

• 如果函数执行成功，函数返回 0。
• 如果函数执行失败，函数返回 -1，可以通过 errno 变量来获取具体的错误信息。

用例

数据同步

#include<stdio.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/mman.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/stat.h>

int main(int argc, char** argv)
{
    size_t mem_size = sysconf(_SC_PAGE_SIZE) * 2;
    int fd;

AGAIN:
    fd = shm_open("/my_shm", O_CREAT | O_RDWR | O_EXCL, 0666);
    if(fd == -1)
    {
        if(errno == EEXIST)
        {
            shm_unlink("/my_shm");
            goto AGAIN;
        }
        perror("shm_open");
        return -1;
    }

    int ret = ftruncate(fd, mem_size);
    if(ret == -1)
    {
        perror("ftruncate");
        return -1;
    }

    void *ptr = mmap(NULL, mem_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if(ptr == MAP_FAILED)
    {
        perror("mmap");
        return -1;
    }

    int i = 0;
    sprintf(ptr, "Data%d", i);
    while(1);
        
    close(fd);
    munmap(ptr, mem_size);
    return 0;
}

输出：

$ cat /dev/shm/my_shm
Data1

当指定 MAP_SHARED 后，对指针 ptr 的操作，都会同步至 my_shm 文件中，数据是以明文形式存储，可以被其他进程读取。

如果将 MAP_SHARED 改为 MAP_PRIVATE，执行结果如下：

$ cat /dev/shm/my_shm
　　　　　　　　　　　　　　　　//无数据

简单用例

读端代码如下：

#include<stdio.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/mman.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/stat.h>
#include<errno.h>

int main(int argc, char** argv)
{
    size_t mem_size = sysconf(_SC_PAGE_SIZE) * 2;
    int fd = shm_open("/my_shm", O_CREAT | O_TRUNC | O_RDWR, 0666);
    if (fd == -1 && errno != EEXIST)
    {
        perror("shm_open");
        return -1;
    }

    int ret = ftruncate(fd, mem_size);
    if(ret == -1)
    {
        perror("ftruncate");
        return -1;
    }

    void *ptr = mmap(NULL, mem_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if(ptr == MAP_FAILED)
    {
        perror("mmap");
        return -1;
    }

    while (1)
    {
        printf("read data : %s\n", (char *)ptr);
        sleep(1);
    }

    close(fd);

    return 0;
}

写端代码如下：

#include<stdio.h>
#include<fcntl.h>
#include<sys/mman.h>
#include<unistd.h>
#include<errno.h>
#include<sys/stat.h>

int main(int argc, char** argv)
{
    size_t mem_size = sysconf(_SC_PAGE_SIZE) * 2;
    int fd;
    AGAIN:
        fd = shm_open("/my_shm", O_CREAT | O_TRUNC | O_RDWR, 0666);
        if (fd == -1)
        {
            if (errno == EEXIST)
            {
                goto AGAIN;
            }
            perror("shm_open");
            return -1;
    }

    int ret = ftruncate(fd, mem_size);
    if(ret == -1)
    {
        perror("ftruncate");
        return -1;
    }

    void *ptr = mmap(NULL, mem_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if(ptr == MAP_FAILED)
    {
        perror("mmap");
        return -1;
    }

    int i = 0;
    while(1)
    {
        sprintf(ptr, "Data%d", i++);
        printf("write data : %s\n", (char*)ptr);
        sleep(1);
    }

    close(fd);
    munmap(ptr, mem_size);

    return 0;
}