实验六 共享存储区通信

 实验六  共享存储区通信

实验目的
了解和熟悉共享存储机制

实验内容
编制一长度为1k的共享存储区发送和接收的程序。

实验指导
一、共享存储区
1、共享存储区机制的概念
共享存储区（Share  Memory）是UNIX系统中通信速度最高的一种通信机制。该机制可使若干进程共享主存中的某一个区域，且使该区域出现（映射）在多个进程的虚地址空间中。另一方面，一个进程的虚地址空间中又可连接多个共享存储区，每个共享存储区都有自己的名字。当进程间欲利用共享存储区进行通信时，必须先在主存中建立一共享存储区，然后将它附接到自己的虚地址空间上。此后，进程对该区的访问操作，与对其虚地址空间的其它部分的操作完全相同。进程之间便可通过对共享存储区中数据的读、写来进行直接通信。图示列出二个进程通过共享一个共享存储区来进行通信的例子。其中，进程A将建立的共享存储区附接到自己的AA’区域，进程B将它附接到自己的BB’区域。

   应当指出，共享存储区机制只为进程提供了用于实现通信的共享存储区和对共享存储区进行操作的手段，然而并未提供对该区进行互斥访问及进程同步的措施。因而当用户需要使用该机制时，必须自己设置同步和互斥措施才能保证实现正确的通信。
二、涉及的系统调用
1、shmget( )
创建、获得一个共享存储区。
系统调用格式：
                 shmid=shmget(key,size,flag)
该函数使用头文件如下：
#include
#include
#include
参数定义
         int  shmget(key,size,flag);
         key_t  key;
         int  size,flag;
其中，key是共享存储区的名字；size是其大小（以字节计）；flag是用户设置的标志，如IPC_CREAT。IPC_CREAT表示若系统中尚无指名的共享存储区，则由核心建立一个共享存储区；若系统中已有共享存储区，便忽略IPC_CREAT。
附：
        操作允许权                  八进制数
         用户可读                     00400
         用户可写                     00200
         小组可读                     00040
         小组可写                     00020
         其它可读                     00004
         其它可写                     00002
        
控制命令                    值
IPC_CREAT                0001000
IPC_EXCL                 0002000
例：shmid=shmget(key,size,(IPC_CREAT|0400))
     创建一个关键字为key，长度为size的共享存储区
2、shmat( )
    共享存储区的附接。从逻辑上将一个共享存储区附接到进程的虚拟地址空间上。
系统调用格式：
                 virtaddr=shmat(shmid,addr,flag)
该函数使用头文件如下：
#include
#include
#include
参数定义
         char  *shmat(shmid,addr,flag);
         int  shmid,flag;
         char  * addr;
其中，shmid是共享存储区的标识符；addr是用户给定的，将共享存储区附接到进程的虚地址空间；flag规定共享存储区的读、写权限，以及系统是否应对用户规定的地址做舍入操作。其值为SHM_RDONLY时，表示只能读；其值为0时，表示可读、可写；其值为SHM_RND（取整）时，表示操作系统在必要时舍去这个地址。该系统调用的返回值是共享存储区所附接到的进程虚地址viraddr。
3、shmdt( )
把一个共享存储区从指定进程的虚地址空间断开。
系统调用格式：
             shmdt(addr)
该函数使用头文件如下：
#include
#include
#include
参数定义
         int  shmdt(addr);
         char  addr;
其中，addr是要断开连接的虚地址，亦即以前由连接的系统调用shmat( )所返回的虚地址。调用成功时，返回0值，调用不成功，返回-1。
4、shmctl( )
共享存储区的控制，对其状态信息进行读取和修改。
系统调用格式：
               shmctl(shmid,cmd,buf)
该函数使用头文件如下：
#include
#include
#include
参数定义
             int  shmctl(shmid,cmd,buf);
             int  shmid,cmd;
             struct  shmid_ds  *buf;
其中，buf是用户缓冲区地址，cmd是操作命令。命令可分为多种类型：
（1）用于查询有关共享存储区的情况。如其长度、当前连接的进程数、共享区的创建者标识符等；
（2）用于设置或改变共享存储区的属性。如共享存储区的许可权、当前连接的进程计数等；
（3）对共享存储区的加锁和解锁命令；
（4）删除共享存储区标识符等。
上述的查询是将shmid所指示的数据结构中的有关成员，放入所指示的缓冲区中；而设置是用由buf所指示的缓冲区内容来设置由shmid所指示的数据结构中的相应成员。
三、参考程序
#include
#include
#include
#define  SHMKEY  75
int  shmid,i;   int  *addr;

void  client( )
{  int i;
       shmid=shmget(SHMKEY,1024,0777);      /*打开共享存储区*/
addr=shmat(shmid,0,0);           /*获得共享存储区首地址*/
for (i=9;i>=0;i--)
  {  while (*addr!=-1);
     printf("(client) sent/n");
     *addr=i;
 }
exit(0);
}

void  server( )
{
shmid=shmget(SHMKEY,1024,0777|IPC_CREAT); /*创建共享存储区*/
addr=shmat(shmid,0,0);        /*获取首地址*/
do
 {
     *addr=-1;
     while (*addr==-1);
     printf("(server) received/n");
}while (*addr);
shmctl(shmid,IPC_RMID,0);     /*撤消共享存储区，归还资源*/
exit(0);
}

main( )
{
   while ((i=fork( ))= =-1);
   if (!i) server( );
   system(“ipcs  -m”);
   while ((i=fork( ))= =-1);
   if (!i) client( );
   wait(0);
   wait(0);
}
四、程序说明
1、为了便于操作和观察结果，用一个程序作为“引子“，先后fork()两个子进程，server和client，进行通信。
2、server端建立一个key为75的共享区，并将第一个字节置为-1，作为数据空的标志。等待其他进程发来的消息。当该字节的值发生变化时，表示收到了信息，进行处理。然后再次把它的值设为-1，如果遇到的值为0，则视为为结束信号，取消该队列，并退出server。server每接收到一次数据后显示“(server)received”。
3、client端建立一个key为75的共享区，当共享取得第一个字节为-1时，server端空闲，可发送请求。client随即填入9到0。期间等待 server 端的再次空闲。进行完这些操作后，client退出。client每发送一次数据后显示“(client)sent”。
4、父进程在server和client均退出后结束。
五、运行结果
和预想的完全一样。但在运行过程中，发现每当client发送一次数据后，server要等待大约0.1秒才有响应。同样，之后client又需要等待大约0.1秒才发送下一个数据。
六、程序分析
出现上述应答延迟的现象是程序设计的问题。当client端发送了数据后，并没有任何措施通知server端数据已经发出，需要由client的查询才能感知。此时，client端并没有放弃系统的控制权，仍然占用CPU的时间片。只有当系统进行调度时，切换到了server进程，再进行应答。这个问题，也同样存在于server端到client的应答过程中。
七、思考题
1、比较两种消息通信机制中数据传输的时间
由于两种机制实现的机理和用处都不一样，难以直接进行时间上的比较。如果比较其性能，应更加全面的分析。
（1）消息队列的建立比共享区的设立消耗的资源少。前者只是一个软件上设定的问题，后者需要对硬件的操作，实现内存的映像，当然控制起来比前者复杂。如果每次都重新进行队列或共享的建立，共享区的设立没有什么优势。
（2）当消息队列和共享区建立好后，共享区的数据传输，受到了系统硬件的支持，不耗费多余的资源；而消息传递，由软件进行控制和实现，需要消耗一定的cpu的资源。从这个意义上讲，共享区更适合频繁和大量的数据传输。
（3）消息的传递，自身就带有同步的控制。当等到消息的时候，进程进入睡眠状态，不再消耗cpu资源。而共享队列如果不借助其他机制进行同步，接收数据的一方必须进行不断的查询，白白浪费了大量的cpu资源。可见，消息方式的使用更加灵活。