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Linux系统编程5：IPC共享内存

Linux系统编程5：IPC共享内存

作者: jdzhangxin | 来源:发表于2018-04-15 00:02 被阅读179次

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

  1. 内存映射文件
    内存映射文件
    注意：共享内存大小 = 文件大小
  2. 匿名内存映射(亲缘进程)
风格 方式
BSD MAP_ANON+mmap()
Systerm V /dev/zero+open()
  1. 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

  1. 文件扩大后，新增文件内容是什么？
  2. 文件缩小后，文件内容是否会被截取？
  3. 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

  1. 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？

  1. 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);
}
  1. 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);
}
  1. 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)

  1. 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);
}
  1. 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

  1. 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。
  2. 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
  3. 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

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