linux应用 进程间通信之共享内存(POSIX)
1、前言
1.1 定义
POSIX共享内存是一种在UNIX和类UNIX系统上可用的进程间通信机制。它允许多个进程共享同一块内存区域，从而可以在这块共享内存上进行读写操作。
1.2 应用场景
POSIX共享内存适用于需要高效地进行大量数据交换的场景，比如多个进程需要共享大型数据集合或缓存。它可以提供比其他进程间通信方式更快的数据传输速度
1.3 优缺点
1.3.1 优点
- 高效性：共享内存允许多个进程直接访问同一块内存，因此数据传输速度更快。
- 灵活性：由于共享内存是直接映射到进程的地址空间，因此对数据的访问更加灵活。
1.3.2 缺点
- 同步问题：需要额外的同步机制来确保多个进程对共享内存的访问是安全的。
- 通信复杂性：共享内存通常需要与其他进程间通信方式（如信号量、互斥量等）结合使用。
2、常用接口
2.1 shm_open函数
创建或打开一个POSIX共享内存对象。
int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);参数
- name：共享内存对象的名称，以斜杠开头，类似于文件路径。
- oflag：打开标志，可以使用 O_CREAT 表示创建共享内存对象，O_RDWR 表示读写模式等。
- mode：创建共享内存对象时的权限模式。
返回值
- 成功：返回一个非负整数，表示共享内存对象的文件描述符。
- 失败：返回 -1，并设置 errno 以指示错误原因。
2.2 ftruncate函数
设置共享内存对象的大小。
int ftruncate(int fd, off_t length);
参数
- fd：共享内存对象的文件描述符。
- length：要设置的共享内存大小。
返回值
- 成功：返回 0。
- 失败：返回 -1，并设置 errno 以指示错误原因。
2.3 mmap函数
将共享内存对象映射到进程的地址空间。
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
参数
- addr：指定映射的地址，通常为0表示由系统选择合适的地址。
- length：映射的长度。
- prot：映射的保护模式，如 PROT_READ 和 PROT_WRITE。
- flags：映射的标志，如 MAP_SHARED 表示共享映射。
- fd：共享内存对象的文件描述符。
- offset：共享内存对象的偏移量。
返回值
- 成功：返回映射区的起始地址。
- 失败：返回 MAP_FAILED，并设置 errno 以指示错误原因。
2.4 munmap函数
解除共享内存的映射。
int munmap(void *addr, size_t length);
参数
- addr：要解除映射的地址。
- length：映射的长度。
返回值
- 成功：返回 0。
- 失败：返回 -1，并设置 errno 以指示错误原因。
2.5 shm_unlink函数
删除共享内存对象。
int shm_unlink(const char *name);参数
- name：共享内存对象的名称。
返回值
- 成功：返回 0。
- 失败：返回 -1，并设置 errno 以指示错误原因。
3、编程测试
3.1 共享内存简单测试
测试代码如下，代码编译需要加-lrt -pthread：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
// 打印时分秒的宏
#define PRINT_MIN_SEC do { \
time_t t = time(NULL); \
struct tm *tm_ptr = localtime(&t); \
printf("%02d:%02d:%02d:", tm_ptr->tm_hour, tm_ptr->tm_min, tm_ptr->tm_sec);\
} while (0);printf
#define SHM_NAME "/example_shm"
#define SHM_SIZE 1024
void parent_process();
void child_process();
int main()
{
pid_t pid = fork();
if (pid == 0)
{
child_process();
}
else if (pid > 0)
{
parent_process();
}
else
{
perror("fork failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
return 0;
}
void parent_process()
{
PRINT_MIN_SEC("Parent start!\n");
int shm_fd = shm_open(SHM_NAME, O_CREAT | O_RDWR, 0666);
if (shm_fd == -1)
{
perror("shm_open failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
ftruncate(shm_fd, SHM_SIZE);
char *ptr = mmap(0, SHM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0);
if (ptr == MAP_FAILED) {
perror("mmap failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
bzero(ptr, SHM_SIZE);
strcpy(ptr, "Parent Write Data");
sleep(2); // 等待子进程读取共享内存中的数据
PRINT_MIN_SEC("Parent read from shared memory: %s\n", ptr);
munmap(ptr, SHM_SIZE);
close(shm_fd);
shm_unlink(SHM_NAME);
}
void child_process()
{
PRINT_MIN_SEC("Child start!\n");
sleep(1); // 等待父进程创建共享内存并写入数据到共享内存
int shm_fd = shm_open(SHM_NAME, O_RDWR, 0666);
if (shm_fd == -1)
{
perror("shm_open failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
char *ptr = mmap(0, SHM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0);
if (ptr == MAP_FAILED)
{
perror("mmap failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
PRINT_MIN_SEC("Child read from shared memory: %s\n", ptr);
bzero(ptr, SHM_SIZE);
strcpy(ptr, "Child Write Data");
munmap(ptr, SHM_SIZE);
close(shm_fd);
}
通过父子间进程读写共享内存的时间不一致来实现进程通信，测试结果如下：
3.2 共享内存配合信号量使用测试
测试代码如下，代码编译需要加-lrt -pthread ：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
// 打印时分秒的宏
#define PRINT_MIN_SEC do { \
time_t t = time(NULL); \
struct tm *tm_ptr = localtime(&t); \
printf("%02d:%02d:%02d:", tm_ptr->tm_hour, tm_ptr->tm_min, tm_ptr->tm_sec);\
} while (0);printf
#define SHM_NAME "/example_shm"
#define SHM_SIZE 1024
void parent_process();
void child_process();
// 打印当前信号量的值
void printfValue(sem_t *sem)
{
// 打印当前值
int value;
sem_getvalue(sem, &value);
PRINT_MIN_SEC("Current value of semaphore: %d\n", value);
}
int main()
{
sem_t *mutex = sem_open("/mysemaphore", O_CREAT, 0644, 0);
pid_t pid = fork();
if (pid == 0)
{
child_process(mutex);
}
else if (pid > 0)
{
parent_process(mutex);
}
else
{
perror("fork failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
return 0;
}
void parent_process(sem_t * mutex)
{
int SendNum = 0;
char SendData[32] = {0};
PRINT_MIN_SEC("Parent start!\n");
printfValue(mutex);
int shm_fd = shm_open(SHM_NAME, O_CREAT | O_RDWR, 0666);
if (shm_fd == -1)
{
perror("shm_open failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
ftruncate(shm_fd, SHM_SIZE);
char *ptr = mmap(0, SHM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0);
if (ptr == MAP_FAILED) {
perror("mmap failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
while(1)
{
sprintf(SendData, "Parent Write Data-%d\n", SendNum);
SendNum++;
strcpy(ptr, SendData);
sem_post(mutex);
sleep(2);
}
PRINT_MIN_SEC("Parent read from shared memory: %s\n", ptr);
munmap(ptr, SHM_SIZE);
close(shm_fd);
shm_unlink(SHM_NAME);
}
void child_process(sem_t * mutex)
{
PRINT_MIN_SEC("Child start!\n");
printfValue(mutex);
sleep(1); // 等待父进程创建共享内存并写入数据到共享内存
int shm_fd = shm_open(SHM_NAME, O_RDWR, 0666);
if (shm_fd == -1)
{
perror("shm_open failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
char *ptr = mmap(0, SHM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0);
if (ptr == MAP_FAILED)
{
perror("mmap failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
while(1)
{
sem_wait(mutex);
PRINT_MIN_SEC("Child read from shared memory: %s\n", ptr);
}
munmap(ptr, SHM_SIZE);
close(shm_fd);
}
父进程通过信号量，每1秒写一次数据，写入完毕后执行post，子进程一直阻塞等待，获取到信号量后从共享内存读取数据，测试结果如下：
4、总结
本文阐述了进程间通信之共享内存(POSIX)的定义、应用场景、优缺点等，列举了编程中使用的接口，编写了测试用例测试相关功能。