Linux系统编程5：IPC共享内存

2018-04-15 本文已影响179人 jdzhangxin

0. 共享内存

比喻

火锅
本质
- 多个进程访问同一个逻辑内存
- 直接访问内存，不用read()/write()非常方便

1. POSIX 共享内存

资料：unpv22e-ch13
查看：
- man shm_overview
- ls /dev/shm

1.1 分类

内存映射文件
内存映射文件
注意：共享内存大小 = 文件大小
匿名内存映射(亲缘进程)

风格	方式
BSD	`MAP_ANON`+`mmap()`
Systerm V	`/dev/zero`+`open()`

共享内存区对象(非亲缘进程)

1.2 接口

头文件：sys/mman.h
库：rt

1.3 函数

POSIX 共享内存有5个函数。

No.	操作	函数
1	创建	`int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode)`
2	删除	`int shm_unlink(const char *name)`
5	建立内存映射	`void* mmap(void* start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset)`
6	关闭内存映射	`int munmap(void *start,size_t length)`

此外，在使用内存映射文件，经常要用到以下两个文件操作函数。

No.	操作	函数
1	获取文件信息	`int fstat(int fd,struct stat *buf)`
2	修改文件大小	`int ftruncate(int fd, off_t length)`

① 获取文件信息

int fstat(int fd,struct stat *buf)

参数

No.	参数	含义
1	`fd`	文件描述描述符
2	`buf`	`struct stat`

struct stat

No.	参数	含义
1	`st_mode`	权限
2	`st_size`	大小
3	`st_uid`	属主ID
4	`st_guid`	组ID

返回值

No.	返回值	含义
1	`-1`	出错
2	`0`	成功

实例
获取共享内存大小
- stat(fd,&stat)
- stat.st_size
示例

编写一个命令行程序，获取文件的大小。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
 
int main(int argc,char* argv[]){
    int fd = open(argv[1],O_RDONLY,0644);
    struct stat file_stat;
    stat(fd,&file_stat);
    printf("file :%s size: %d",argv[1],file_stat.st_size);
    return 0;
}

② 修改文件大小

int ftruncate(int fd, off_t  length)

参数

No.	参数	含义
1	`fd`	文件描述描述符
2	`length`	文件大小，如果原来的文件大小比参数length大，超过的部分删除。

返回值

No.	返回值	含义
1	`-1`	出错
2	`0`	成功

实例
设置共享内存大小

ftruncate(fd,len)

示例
编写一个命令行程序，实现对文件的大小缩放。

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
 
int main(int argc,char* argv[]){
    int fd = open(argv[1],O_RDWR,0644);
    struct stat file_stat;
    fstat(fd,&file_stat);
    printf("file :%s\told size: %d",argv[1],file_stat.st_size);
    int new_size = atoi(argv[2]);
    ftruncate(fd,new_size);
    stat(fd,&file_stat);
    printf("\tnew size: %d\n",file_stat.st_size);
    return 0;
}

问题

文件扩大后，新增文件内容是什么？

文件缩小后，文件内容是否会被截取？

文件大小是否可以变为0？

1.3.1 创建

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

参数

No.	参数	含义
1	`name`	posix IPC名字，格式为`/somename`
2	`oflag`	标志
3	`mode`	权限

标志

No.	标志	作用
1	`O_CREAT`	没有该对象则创建
2	`O_EXCL`	如果O_CREAT指定，但name不存在，就返回错误
3	~~`O_NONBLOCK`~~	~~以非阻塞方式打开消息队列~~
4	`O_RDONLY`	只读
5	`O_RDWR`	读写
6	~~`O_WRONLY`~~	只写
7	`O_TRUNC`	若存在则截断

权限

No.	权限	作用
1	`S_IWUSR`	用户/属主写
2	`S_IRUSR`	用户/属主读
3	`S_IWGRP`	组成员写
4	`S_IRGRP`	组成员读
5	`S_IWOTH`	其他用户写
6	`S_IROTH`	其他用户读

返回值

No.	返回值	含义
1	`-1`	出错
2	其他	共享内存描述符

示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
 
int main(int argc,char* argv[]){
    int fd = shm_open(argv[1],O_CREAT|O_RDWR,0644);
    ftruncate(fd,atoi(argv[2]));
    void* buf = NULL;
    if(( buf =  mmap(NULL,BUFSIZ,PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0)) == MAP_FAILED){
        perror("mmap error\n");
        return 1;
    }
}

1.3.2 删除

int shm_unlink(const char *name)

参数

No.	参数	含义
1	`name`	posix IPC名字

返回值

No.	返回值	含义
1	`-1`	出错
2	`0`	成功

示例

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
 
int main(int argc,char* argv[]){
    shm_unlink(argv[1]);
}

1.3.3 建立内存映射

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

参数

No.	参数	含义
1	`start`	映射区的开始地址，通常使用`NULL`，让系统决定映射区的起始地址
2	`length`	映射区的长度，单位字节，不足一内存页按一内存页处理
3	`prot`	内存保护标志
4	`flags`	映射对象的类型
5	`fd`	文件描述符，不能是套接字和终端的`fd`，`-1`为匿名内存映射
6	`off_toffset`	被映射对象内容的起点

内存保护标志

No.	参数	含义
1	`PROT_EXEC`	页内容可以被执行
2	`PROT_READ`	页内容可以被读取
3	`PROT_WRITE`	页可以被写入
4	`PROT_NONE`	页不可访问，不能与文件的打开模式冲突

映射对象的类型

No.	参数	含义
1	`MAP_SHARED`	变动共享
2	`MAP_PRIVATE`	变动私有
3	`MAP_ANON`	匿名内存映射

返回值

No.	返回值	含义
1	`MAP_FAILED`	失败
2	非`MAP_FAILED`	共享内存地址

示例
写

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
 
int main(int argc,char* argv[]){
    int fd = shm_open(argv[1],O_RDWR,0);
    void* buf = NULL;
    if(( buf =  mmap(NULL,BUFSIZ,PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0)) == MAP_FAILED){
        perror("mmap error\n");
        return 1;
    }
    strcpy(buf,argv[2]);
    munmap(buf,BUFSIZ);
}

读

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
 
int main(int argc,char* argv[]){
    int fd = shm_open(argv[1],O_RDONLY,0);
    void* buf = NULL;
    if(( buf =  mmap(NULL,BUFSIZ,PROT_READ,MAP_SHARED,fd,0)) == MAP_FAILED){
        perror("mmap error\n");
        return 1;
    }
    printf("%s\n",buf);
    munmap(buf,BUFSIZ);
}

1.3.4 关闭内存映射

int munmap(void *start,size_t length)

参数

No.	参数	含义
1	`start`	映射内存起始地址
2	`length`	内存大小

返回值

No.	返回值	含义
1	`0`	成功
2	`-1`	失败

注意
关闭mmap中的文件描述符不能删除内存映射。

1.4 示例

1.4.1 内存映射文件

创建文件并且写入数据

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
 
int main(){
    int fd = open("./mmap.txt",O_CREAT|O_RDWR,0644);
    char str[] = "hello mmap\n";    
    ftruncate(fd,sizeof(str));
    void* buf = NULL;
    if(( buf =  mmap(NULL,sizeof(str),PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0)) == MAP_FAILED){
        perror("mmap error\n");
        return 1;
    }
    strcpy(buf,str);
    munmap(buf,sizeof(str));
    close(fd);
}

问题
如果没有ftruncate(fd,sizeof(str));会出现什么情况？

读取数据并且重新写入数据

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
 
int main(int argc,char* argv[]){
    int fd = open("./mmap.txt",O_RDWR);
    void* buf = NULL;
    if(( buf =  mmap(NULL,BUFSIZ,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0)) == MAP_FAILED){
        perror("mmap error\n");
        return 1;
    }
    printf("%s\n",buf);
    strcpy(buf,"this sdfdsfdsfdsfdsfdsfdsfdsfdsfdsf\n");
    munmap(buf,BUFSIZ);
    close(fd);
}

亲缘进程读写数据

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
 
int main(int argc,char* argv[]){
    int fd = open("./mmap.txt",O_CREAT|O_RDWR,0644);
    void* buf = NULL;
    if(( buf =  mmap(NULL,BUFSIZ,PROT_WRITE|PROT_READ,MAP_SHARED,fd,0)) == MAP_FAILED){
        perror("mmap error\n");
        return 1;
    }
    if(fork()){
        strcpy(buf,argv[1]);    
    }else{
        printf("%s\n",buf);
    }
    munmap(buf,BUFSIZ);
    close(fd);
}

非亲缘进程读写数据
写

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
 
int main(int argc,char* argv[]){
    int fd = open("./mmap.txt",O_CREAT|O_RDWR,0644);
    void* buf = NULL;
    if(( buf =  mmap(NULL,BUFSIZ,PROT_WRITE|PROT_READ,MAP_SHARED,fd,0)) == MAP_FAILED){
        perror("mmap error\n");
        return 1;
    }
    strcpy(buf,argv[1]);    
    munmap(buf,BUFSIZ);
    close(fd);
}

读

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
 
int main(int argc,char* argv[]){
    int fd = open("./mmap.txt",O_CREAT|O_RDWR,0644);
    void* buf = NULL;
    if(( buf =  mmap(NULL,BUFSIZ,PROT_WRITE|PROT_READ,MAP_SHARED,fd,0)) == MAP_FAILED){
        perror("mmap error\n");
        return 1;
    }
    printf("%s\n",buf);
    munmap(buf,BUFSIZ);
    close(fd);
}

1.4.2 匿名内存映射(亲缘进程)

Systerm V风格

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
 
int main(int argc,char* argv[]){
    int fd = open("/dev/zero",O_RDWR);
    void* buf = NULL;
    if(( buf =  mmap(NULL,BUFSIZ,PROT_WRITE|PROT_READ,MAP_SHARED,fd,0)) == MAP_FAILED){
        perror("mmap error\n");
        return 1;
    }
    if(fork()){
        strcpy(buf,argv[1]);    
    }else{
        printf("%s\n",buf);
    }
    munmap(buf,BUFSIZ);
    close(fd);
}

BSD风格

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
 
int main(int argc,char* argv[]){
    void* buf = NULL;
    if(( buf =  mmap(NULL,BUFSIZ,PROT_WRITE|PROT_READ,MAP_SHARED|MAP_ANON,-1,0)) == MAP_FAILED){
        perror("mmap error\n");
        return 1;
    }
    if(fork()){
        strcpy(buf,argv[1]);    
    }else{
        printf("%s\n",buf);
    }
    munmap(buf,BUFSIZ);
}

1.4.2 非亲缘进程

写

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
 
int main(int argc,char* argv[]){
    int fd = shm_open(argv[1],O_RDWR,0);
    void* buf = NULL;
    if(( buf =  mmap(NULL,BUFSIZ,PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0)) == MAP_FAILED){
        perror("mmap error\n");
        return 1;
    }
    int i;
    for(i=2;i<argc;i++){
        strcpy(buf,argv[i]);    
        sleep(3);
    }
    munmap(buf,BUFSIZ);
    close(fd);
}

读

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
 
int main(int argc,char* argv[]){
    int fd = shm_open(argv[1],O_RDONLY,0);
    void* buf = NULL;
    if(( buf =  mmap(NULL,BUFSIZ,PROT_READ,MAP_SHARED,fd,0)) == MAP_FAILED){
        perror("mmap error\n");
        return 1;
    }
    sleep(1);
    for(;;){
        printf("read:%s\n",buf);
        sleep(3);
    }
    munmap(buf,BUFSIZ);
    close(fd);
}

3. 使用mmap容易出现的问题

现象：总线错误Bus Error
原因：映射文件的大小为0
解决：使用ftruncate()扩展文件的大小，stat.st_size。
现象：段错误
原因：munmap()释放内存的大小大于申请内存大小
解决：释放内存大小与申请内存大小保持一直
现象：Permisstion denied
原因：文件打开权限与文件映射对象访问权限不一致。
解决：只读PROT_READ的文件映射对象使用O_RDONLY打开文件；读写PROT_READ|PROT_WRITE的文件映射对象使用O_RDWR打开文件

4. 练习

练习：写一个共享内存类

Linux系统编程5：IPC共享内存

0. 共享内存

1. POSIX 共享内存

1.1 分类

1.2 接口

1.3 函数

① 获取文件信息

② 修改文件大小

1.3.1 创建

1.3.2 删除

1.3.3 建立内存映射

1.3.4 关闭内存映射

1.4 示例

1.4.1 内存映射文件

1.4.2 匿名内存映射(亲缘进程)

1.4.2 非亲缘进程

3. 使用mmap容易出现的问题

4. 练习

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