Linux進(jìn)程間通信的方式

這篇文章主要介紹“Linux進(jìn)程間通信的方式”，在日常操作中，相信很多人在Linux進(jìn)程間通信的方式問(wèn)題上存在疑惑，小編查閱了各式資料，整理出簡(jiǎn)單好用的操作方法，希望對大家解答”Linux進(jìn)程間通信的方式”的疑惑有所幫助！接下來(lái)，請跟著(zhù)小編一起來(lái)學(xué)習吧！

下面將講解進(jìn)程間通信的另一種方式，使用共享內存。

一、什么是共享內存

顧名思義，共享內存就是允許兩個(gè)不相關(guān)的進(jìn)程訪(fǎng)問(wèn)同一個(gè)邏輯內存。共享內存是在兩個(gè)正在運行的進(jìn)程之間共享和傳遞數據的一種非常有效的方式。不同進(jìn)程之間共享的內存通常安排為同一段物理內存。進(jìn)程可以將同一段共享內存連接到它們自己的地址空間中，所有進(jìn)程都可以訪(fǎng)問(wèn)共享內存中的地址，就好像它們是由用C語(yǔ)言函數malloc分配的內存一樣。而如果某個(gè)進(jìn)程向共享內存寫(xiě)入數據，所做的改動(dòng)將立即影響到可以訪(fǎng)問(wèn)同一段共享內存的任何其他進(jìn)程。

特別提醒：共享內存并未提供同步機制，也就是說(shuō)，在***個(gè)進(jìn)程結束對共享內存的寫(xiě)操作之前，并無(wú)自動(dòng)機制可以阻止第二個(gè)進(jìn)程開(kāi)始對它進(jìn)行讀取。所以我們通常需要用其他的機制來(lái)同步對共享內存的訪(fǎng)問(wèn)，例如前面說(shuō)到的信號量。有關(guān)信號量的更多內容，可以查閱我的另一篇文章：Linux進(jìn)程間通信——使用信號量

二、共享內存的使得

與信號量一樣，在Linux中也提供了一組函數接口用于使用共享內存，而且使用共享共存的接口還與信號量的非常相似，而且比使用信號量的接口來(lái)得簡(jiǎn)單。它們聲明在頭文件 sys/shm.h中。

1、shmget函數

該函數用來(lái)創(chuàng )建共享內存，它的原型為：

[cpp] view plain copy   int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

***個(gè)參數，與信號量的semget函數一樣，程序需要提供一個(gè)參數key（非0整數），它有效地為共享內存段命名，shmget函數成功時(shí)返回一個(gè)與key相關(guān)的共享內存標識符（非負整數），用于后續的共享內存函數。調用失敗返回-1.

不相關(guān)的進(jìn)程可以通過(guò)該函數的返回值訪(fǎng)問(wèn)同一共享內存，它代表程序可能要使用的某個(gè)資源，程序對所有共享內存的訪(fǎng)問(wèn)都是間接的，程序先通過(guò)調用shmget函數并提供一個(gè)鍵，再由系統生成一個(gè)相應的共享內存標識符（shmget函數的返回值），只有shmget函數才直接使用信號量鍵，所有其他的信號量函數使用由semget函數返回的信號量標識符。

第二個(gè)參數，size以字節為單位指定需要共享的內存容量

第三個(gè)參數，shmflg是權限標志，它的作用與open函數的mode參數一樣，如果要想在key標識的共享內存不存在時(shí)，創(chuàng )建它的話(huà)，可以與IPC_CREAT做或操作。共享內存的權限標志與文件的讀寫(xiě)權限一樣，舉例來(lái)說(shuō)，0644,它表示允許一個(gè)進(jìn)程創(chuàng )建的共享內存被內存創(chuàng )建者所擁有的進(jìn)程向共享內存讀取和寫(xiě)入數據，同時(shí)其他用戶(hù)創(chuàng )建的進(jìn)程只能讀取共享內存。

2、shmat函數

***次創(chuàng )建完共享內存時(shí)，它還不能被任何進(jìn)程訪(fǎng)問(wèn)，shmat函數的作用就是用來(lái)啟動(dòng)對該共享內存的訪(fǎng)問(wèn)，并把共享內存連接到當前進(jìn)程的地址空間。它的原型如下：

[cpp] view plain copy   void *shmat(int shm_id, const void *shm_addr, int shmflg);

***個(gè)參數，shm_id是由shmget函數返回的共享內存標識。

第二個(gè)參數，shm_addr指定共享內存連接到當前進(jìn)程中的地址位置，通常為空，表示讓系統來(lái)選擇共享內存的地址。

第三個(gè)參數，shm_flg是一組標志位，通常為0。

調用成功時(shí)返回一個(gè)指向共享內存***個(gè)字節的指針，如果調用失敗返回-1.

3、shmdt函數

該函數用于將共享內存從當前進(jìn)程中分離。注意，將共享內存分離并不是刪除它，只是使該共享內存對當前進(jìn)程不再可用。它的原型如下：

[cpp] view plain copy   int shmdt(const void *shmaddr);

參數shmaddr是shmat函數返回的地址指針，調用成功時(shí)返回0，失敗時(shí)返回-1.

4、shmctl函數

與信號量的semctl函數一樣，用來(lái)控制共享內存，它的原型如下：

[cpp] view plain copy   int shmctl(int shm_id, int command, struct shmid_ds *buf);

***個(gè)參數，shm_id是shmget函數返回的共享內存標識符。

第二個(gè)參數，command是要采取的操作，它可以取下面的三個(gè)值 ：

• IPC_STAT：把shmid_ds結構中的數據設置為共享內存的當前關(guān)聯(lián)值，即用共享內存的當前關(guān)聯(lián)值覆蓋shmid_ds的值。

• IPC_SET：如果進(jìn)程有足夠的權限，就把共享內存的當前關(guān)聯(lián)值設置為shmid_ds結構中給出的值

• IPC_RMID：刪除共享內存段 

第三個(gè)參數，buf是一個(gè)結構指針，它指向共享內存模式和訪(fǎng)問(wèn)權限的結構。

shmid_ds結構至少包括以下成員： 

[cpp] view plain copy   struct shmid_ds    {        uid_t shm_perm.uid;        uid_t shm_perm.gid;        mode_t shm_perm.mode;    };

三、使用共享內存進(jìn)行進(jìn)程間通信

說(shuō)了這么多，又到了實(shí)戰的時(shí)候了。下面就以?xún)蓚€(gè)不相關(guān)的進(jìn)程來(lái)說(shuō)明進(jìn)程間如何通過(guò)共享內存來(lái)進(jìn)行通信。其中一個(gè)文件shmread.c創(chuàng )建共享內存，并讀取其中的信息，另一個(gè)文件shmwrite.c向共享內存中寫(xiě)入數據。為了方便操作和數據結構的統一，為這兩個(gè)文件定義了相同的數據結構，定義在文件shmdata.c中。結構shared_use_st中的written作為一個(gè)可讀或可寫(xiě)的標志，非0：表示可讀，0表示可寫(xiě)，text則是內存中的文件。

shmdata.h的源代碼如下：

[cpp] view plain copy   #ifndef _SHMDATA_H_HEADER    #define _SHMDATA_H_HEADER      #define TEXT_SZ 2048      struct shared_use_st    {        int written;//作為一個(gè)標志，非0：表示可讀，0表示可寫(xiě)        char text[TEXT_SZ];//記錄寫(xiě)入和讀取的文本    };      #endif

源文件shmread.c的源代碼如下： 

[cpp] view plain copy   #include <unistd.h>    #include <stdlib.h>    #include <stdio.h>    #include <sys/shm.h>    #include "shmdata.h"      int main()    {        int running = 1;//程序是否繼續運行的標志        void *shm = NULL;//分配的共享內存的原始首地址        struct shared_use_st *shared;//指向shm        int shmid;//共享內存標識符        //創(chuàng  )建共享內存        shmid = shmget((key_t)1234, sizeof(struct shared_use_st), 0666|IPC_CREAT);        if(shmid == -1)        {            fprintf(stderr, "shmget failed\n");            exit(EXIT_FAILURE);        }        //將共享內存連接到當前進(jìn)程的地址空間        shm = shmat(shmid, 0, 0);        if(shm == (void*)-1)        {            fprintf(stderr, "shmat failed\n");            exit(EXIT_FAILURE);        }        printf("\nMemory attached at %X\n", (int)shm);        //設置共享內存        shared = (struct shared_use_st*)shm;        shared->written = 0;        while(running)//讀取共享內存中的數據        {            //沒(méi)有進(jìn)程向共享內存定數據有數據可讀取            if(shared->written != 0)            {                printf("You wrote: %s", shared->text);                sleep(rand() % 3);                //讀取完數據，設置written使共享內存段可寫(xiě)                shared->written = 0;                //輸入了end，退出循環(huán)（程序）                if(strncmp(shared->text, "end", 3) == 0)                    running = 0;            }            else//有其他進(jìn)程在寫(xiě)數據，不能讀取數據                sleep(1);        }        //把共享內存從當前進(jìn)程中分離        if(shmdt(shm) == -1)        {            fprintf(stderr, "shmdt failed\n");            exit(EXIT_FAILURE);        }        //刪除共享內存        if(shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1)        {            fprintf(stderr, "shmctl(IPC_RMID) failed\n");            exit(EXIT_FAILURE);        }        exit(EXIT_SUCCESS);    }

源文件shmwrite.c的源代碼如下：

[cpp] view plain copy   #include <unistd.h>    #include <stdlib.h>    #include <stdio.h>    #include <string.h>    #include <sys/shm.h>    #include "shmdata.h"      int main()    {        int running = 1;        void *shm = NULL;        struct shared_use_st *shared = NULL;        char buffer[BUFSIZ + 1];//用于保存輸入的文本        int shmid;        //創(chuàng  )建共享內存        shmid = shmget((key_t)1234, sizeof(struct shared_use_st), 0666|IPC_CREAT);        if(shmid == -1)        {            fprintf(stderr, "shmget failed\n");            exit(EXIT_FAILURE);        }        //將共享內存連接到當前進(jìn)程的地址空間        shm = shmat(shmid, (void*)0, 0);        if(shm == (void*)-1)        {            fprintf(stderr, "shmat failed\n");            exit(EXIT_FAILURE);        }        printf("Memory attached at %X\n", (int)shm);        //設置共享內存        shared = (struct shared_use_st*)shm;        while(running)//向共享內存中寫(xiě)數據        {            //數據還沒(méi)有被讀取，則等待數據被讀取,不能向共享內存中寫(xiě)入文本            while(shared->written == 1)            {                sleep(1);                printf("Waiting...\n");            }            //向共享內存中寫(xiě)入數據            printf("Enter some text: ");            fgets(buffer, BUFSIZ, stdin);            strncpy(shared->text, buffer, TEXT_SZ);            //寫(xiě)完數據，設置written使共享內存段可讀            shared->written = 1;            //輸入了end，退出循環(huán)（程序）            if(strncmp(buffer, "end", 3) == 0)                running = 0;        }        //把共享內存從當前進(jìn)程中分離        if(shmdt(shm) == -1)        {            fprintf(stderr, "shmdt failed\n");            exit(EXIT_FAILURE);        }        sleep(2);        exit(EXIT_SUCCESS);    }

再來(lái)看看運行的結果：

分析：

1、程序shmread創(chuàng )建共享內存，然后將它連接到自己的地址空間。在共享內存的開(kāi)始處使用了一個(gè)結構struct_use_st。該結構中有個(gè)標志written，當共享內存中有其他進(jìn)程向它寫(xiě)入數據時(shí)，共享內存中的written被設置為0，程序等待。當它不為0時(shí)，表示沒(méi)有進(jìn)程對共享內存寫(xiě)入數據，程序就從共享內存中讀取數據并輸出，然后重置設置共享內存中的written為0，即讓其可被shmwrite進(jìn)程寫(xiě)入數據。

2、程序shmwrite取得共享內存并連接到自己的地址空間中。檢查共享內存中的written，是否為0，若不是，表示共享內存中的數據還沒(méi)有被完，則等待其他進(jìn)程讀取完成，并提示用戶(hù)等待。若共享內存的written為0，表示沒(méi)有其他進(jìn)程對共享內存進(jìn)行讀取，則提示用戶(hù)輸入文本，并再次設置共享內存中的written為1，表示寫(xiě)完成，其他進(jìn)程可對共享內存進(jìn)行讀操作。

四、關(guān)于前面的例子的安全性討論

這個(gè)程序是不安全的，當有多個(gè)程序同時(shí)向共享內存中讀寫(xiě)數據時(shí)，問(wèn)題就會(huì )出現?？赡苣銜?huì )認為，可以改變一下written的使用方式，例如，只有當written為0時(shí)進(jìn)程才可以向共享內存寫(xiě)入數據，而當一個(gè)進(jìn)程只有在written不為0時(shí)才能對其進(jìn)行讀取，同時(shí)把written進(jìn)行加1操作，讀取完后進(jìn)行減1操作。這就有點(diǎn)像文件鎖中的讀寫(xiě)鎖的功能。咋看之下，它似乎能行得通。但是這都不是原子操作，所以這種做法是行不能的。試想當written為0時(shí)，如果有兩個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)共享內存，它們就會(huì )發(fā)現written為0，于是兩個(gè)進(jìn)程都對其進(jìn)行寫(xiě)操作，顯然不行。當written為1時(shí)，有兩個(gè)進(jìn)程同時(shí)對共享內存進(jìn)行讀操作時(shí)也是如些，當這兩個(gè)進(jìn)程都讀取完是，written就變成了-1。 

要想讓程序安全地執行，就要有一種進(jìn)程同步的進(jìn)制，保證在進(jìn)入臨界區的操作是原子操作。例如，可以使用前面所講的信號量來(lái)進(jìn)行進(jìn)程的同步。因為信號量的操作都是原子性的。

五、使用共享內存的優(yōu)缺點(diǎn)

1、優(yōu)點(diǎn)：我們可以看到使用共享內存進(jìn)行進(jìn)程間的通信真的是非常方便，而且函數的接口也簡(jiǎn)單，數據的共享還使進(jìn)程間的數據不用傳送，而是直接訪(fǎng)問(wèn)內存，也加快了程序的效率。同時(shí)，它也不像匿名管道那樣要求通信的進(jìn)程有一定的父子關(guān)系。

2、缺點(diǎn)：共享內存沒(méi)有提供同步的機制，這使得我們在使用共享內存進(jìn)行進(jìn)程間通信時(shí)，往往要借助其他的手段來(lái)進(jìn)行進(jìn)程間的同步工作。