Linux共享內(nèi)存實現(xiàn)機(jī)制的詳解

Linux共享內(nèi)存實現(xiàn)機(jī)制的詳解

內(nèi)存共享： 兩個不同進(jìn)程A、B共享內(nèi)存的意思是，同一塊物理內(nèi)存被映射到進(jìn)程A、B各自的進(jìn)程地址空間。進(jìn)程A可以即時看到進(jìn)程B對共享內(nèi)存中數(shù)據(jù)的更新，反之亦然。由于多個進(jìn)程共享同一塊內(nèi)存區(qū)域，必然需要某種同步機(jī)制，互斥鎖和信號量都可以。

效率： 采用共享內(nèi)存通信的一個顯而易見的好處是效率高，因為進(jìn)程可以直接讀寫內(nèi)存，而不需要任何數(shù)據(jù)的拷貝。對于像管道和消息隊列等通信方式，則需要在內(nèi)核和用戶空間進(jìn)行四次的數(shù)據(jù)拷貝，而共享內(nèi)存則只拷貝兩次數(shù)據(jù)[1]： 一次從輸入文件到共享內(nèi)存區(qū)，另一次從共享內(nèi)存區(qū)到輸出文件。實際上，進(jìn)程之間在共享內(nèi)存時，并不總是讀寫少量數(shù)據(jù)后就解除映射，有新的通信時，再重新建 立共享內(nèi)存區(qū)域。而是保持共享區(qū)域，直到通信完畢為止，這樣，數(shù)據(jù)內(nèi)容一直保存在共享內(nèi)存中，并沒有寫回文件。共享內(nèi)存中的內(nèi)容往往是在解除映射時才寫回 文件的。因此，采用共享內(nèi)存的通信方式效率是非常高的。

共享內(nèi)存實現(xiàn)機(jī)制

共享內(nèi)存是通過把同一塊內(nèi)存分別映射到不同的進(jìn)程空間中實現(xiàn)進(jìn)程間通信。而共享內(nèi)存本身不帶任何互斥與同步機(jī)制，但當(dāng)多個進(jìn)程同時對同一內(nèi)存進(jìn)行讀寫操作時會破壞該內(nèi)存的內(nèi)容，所以，在實際中，同步與互斥機(jī)制需要用戶來完成。
來看幾個系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)：

（1）創(chuàng)建共享內(nèi)存

參數(shù)：key為輸出型參數(shù)
size：size的大小應(yīng)為1024整數(shù)倍（4k對齊）
shmflg:權(quán)限標(biāo)志

（2）將共享內(nèi)存映射到自己的內(nèi)存空間:shmat

shmat是空間映射，通過創(chuàng)建的共享內(nèi)存，在它能被進(jìn)程訪問之前，需要把該段內(nèi)存映射到用戶進(jìn)程空間。shmaddr是用來指定共享內(nèi)存映射到當(dāng)前進(jìn)程中的地址位置，要想改設(shè)置有用，shmflag必須設(shè)置為SHM_RND標(biāo)志。大多情況下，應(yīng)設(shè)置為空指針(void*)0,讓系統(tǒng)自動選擇地址，從而減小程序?qū)τ布囊蕾囆浴hmflag除了上面的設(shè)置外，還可以設(shè)置為SHM_RDONLY,使得映射過來的地址只讀。
返回值：調(diào)用成功則返回映射地址的第一個字節(jié)，失敗返回-1。
（3）解除映射:shmdt

參數(shù)為要解除的地址空間。

（4）控制共享內(nèi)存

先來看第三個參數(shù)的結(jié)構(gòu)體：


第二個參數(shù)cmd的選項：IPC_STAT:得到共享內(nèi)存的狀態(tài)，把共享內(nèi)存的shmid_ds結(jié)構(gòu)體復(fù)制到buf里

IPC_SET：改變共享內(nèi)存的狀態(tài)，把buf所指的結(jié)構(gòu)體中的uid,gid,mode,復(fù)制到共享內(nèi)存的shmid_ds結(jié)構(gòu)體內(nèi)
IPC_RMID:刪除這塊共享內(nèi)存
BUF：共此內(nèi)存管理結(jié)構(gòu)體

代碼實現(xiàn)：

共享內(nèi)存的特點：

（1）共享內(nèi)存就是允許兩個不想關(guān)的進(jìn)程訪問同一個內(nèi)存
（2）共享內(nèi)存是兩個正在運行的進(jìn)程之間共享和傳遞數(shù)據(jù)的最有效的方式
（3）不同進(jìn)程之間共享的內(nèi)存通常安排為同一段物理內(nèi)存
（4）共享內(nèi)存不提供任何互斥和同步機(jī)制，一般用信號量對臨界資源進(jìn)行保護(hù)。
（5）接口簡單

所有進(jìn)程間通信的特點：

（1）管道

管道分為命名管道和匿名管道。匿名管道只能單向通信，且只能在有親緣關(guān)系的進(jìn)程間使用，常用于父子進(jìn)程，當(dāng)一個進(jìn)程創(chuàng)建了一個管道，并調(diào)用fork創(chuàng)建子進(jìn)程后，父進(jìn)程關(guān)閉讀端，子進(jìn)程關(guān)閉寫端，實現(xiàn)單向通信。管道是面向字節(jié)流，自帶互斥與同步機(jī)制，生命周期隨進(jìn)程。
命名管道與匿名管道：命名管道允許毫不相干的兩個進(jìn)程之間

（2）信號量

信號量是一個計數(shù)器，可以用來控制多個線程對共享資源的訪問，它不是用于交換大批數(shù)據(jù)，而用于多線程之間的同步，常作為一種鎖機(jī)制，防止某進(jìn)程在訪問資源時其他進(jìn)程也來訪問，因此，主要作為進(jìn)程間以及同一進(jìn)程的不同線程間的同步手段。

（3）消息隊列

消息隊列是消息的鏈表，存放在內(nèi)核中并由消息隊列標(biāo)識符標(biāo)識，消息隊列克服了信號傳遞信息少，管道只能承載無格式字節(jié)流以及緩沖區(qū)受限等特點。消息隊列是UNIX下不同進(jìn)程之間可以實現(xiàn)資源共享的 一種機(jī)制，UNIX允許不同進(jìn)程將格式化的數(shù)據(jù)流以消息隊列形式發(fā)送給任意進(jìn)程，對消息隊列具有操作權(quán)限的進(jìn)程都可以使用msgget完成對消息隊列的操作控制，通過使用消息類型，進(jìn)程可以按順序讀信息，或為消息安排優(yōu)先級順序。

（4）共享內(nèi)存

共享內(nèi)存就是映射一段能被其他進(jìn)程所訪問的內(nèi)存，這段共享內(nèi)存由一個進(jìn)程創(chuàng)建，但多個進(jìn)程都可以訪問，共享內(nèi)存是最快的IPC方式，它是針對其他IPC方式運行效率低而專門設(shè)計的，它往往與其他機(jī)制，如信號量，配合使用，來實現(xiàn)進(jìn)程間的同步。

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