IPC - Unix - 共享内存

内容导读

互联网集市收集整理的这篇技术教程文章主要介绍了IPC - Unix - 共享内存，小编现在分享给大家，供广大互联网技能从业者学习和参考。文章包含9996字，纯文字阅读大概需要15分钟。

内容图文

1、共享内存

共享内存允许两个或多个进程共享一给定的存储区，是最快的一种进程间通信机制。对于像管道和消息队列等通信方式，需要在内核和用户空间进行四次的数据拷贝，而共享内存则只拷贝两次数据：一次从输入文件到共享内存区，另一次从共享内存区到输出文件。实际上，进程之间在共享内存时，并不总是读写少量数据后就解除映射，有新的通信时，再重新建立共享内存区域。而是保持共享区域，直到通信完毕为止，这样，数据内容一直保存在共享内存中，并没有写回文件。共享内存中的内容往往是在解除映射时才写回文件的。因此，采用共享内存的通信方式效率是非常高的。共享内存系统仅在建立共享内存区域时需要系统调用；一旦建立共享内存，所有访问都可作为常规内存访问，无需借助内核

共享内存可以通过mmap()映射普通文件（特殊情况下还可以采用匿名映射）机制实现，也可以通过系统V（shm）共享内存机制实现。应用接口和原理很简单，内部机制复杂。共享内存并未提供同步机制，也就是说，在第一个进程结束对共享内存的写操作之前，并无自动机制可以阻止第二个进程开始对它进行读取。为了实现更安全通信，往往还与信号灯等同步机制共同使用。

C programming in the UNIX environment的编程手册，一般都会为进程间用共享内存的方法通信提供两组方法：由于POSIX标准比较通用，一般建议使用该标准定义的方法集。

1.      POSIX定义的 ：shm_open、shm_unlink、ftruncate、fstat、mmap、munmap、msync、mprotect
2.      SYSTEM V定义的 ：shmget、shmat、shmdt、shmctl、ftok

关于这两者的差异稍微提一下：

1. 二者本质上是类似的，mmap可以看到文件的实体，而 shmget 对应的文件在交换分区上的 shm 文件系统内，无法直接 cat 查看

2. 安全性：mmap 方式对应的真实文件，如果用户有权限即可查看，甚至删除
                 shmget 方式其实也一样，好了一层皮罢了（ipcrm -m …）

3. 一致性：mmap 方式下各进程映射文件的相同部分可以共享内存
                 shmget 时各个进程共享同一片内存区
       不建议使用交叠的方式使用 mmap

4. 持续性：进程挂了重启不丢失内容，二者都可以做到
                 机器挂了重启，mmap 可以不丢失内容（文件内保存了OS同步过的映像），而 shmget 会丢失

5. 易用性：mmap 的接口会简单一些

6. 通用性：posix 的 mmap 会相对广泛一些

7. 其他：mmap在某些内核版本下会频繁读写磁盘，需要注意一下

8. （1）mmap保存到实际硬盘，实际存储并没有反映到主存上。优点：储存量可以很大（多于主存）（这里一个问题，需要高手解答,会不会太多拷贝到主存里面？？？）；缺点：进程间读取和写入速度要比主存的要慢。
   
   （2）shm保存到物理存储器（主存），实际的储存量直接反映到主存上。优点，进程间访问速度（读写）比磁盘要快；缺点，储存量不能非常大（多于主存）
   
   使用上看：如果分配的存储量不大，那么使用shm；如果存储量大，那么使用mmap。

9. mmap系统调用并不是完全为了用于共享内存而设计的。它本身提供了不同于一般对普通文件的访问方式，进程可以像读写内存一样对普通文件的操作。而Posix或系统V的共享内存IPC则纯粹用于共享目的，当然mmap()实现共享内存也是其主要应用之一。

10. 1、mmap是在磁盘上建立一个文件，每个进程地址空间中开辟出一块空间进行映射。而对于shm而言，shm每个进程最终会映射到同一块物理内存。shm保存在物理内存，这样读写的速度要比磁盘要快，但是存储量不是特别大。
    2、相对于shm来说，mmap更加简单，调用更加方便，所以这也是大家都喜欢用的原因。
    3、另外mmap有一个好处是当机器重启，因为mmap把文件保存在磁盘上，这个文件还保存了操作系统同步的映像，所以mmap不会丢失，但是shmget就会丢失。

如果你担心会因误删文件导致 mmap 出错，那就用 shmget 吧，否则的话直接mmap就可以了，用起来简单一些

 

2、共享内存 - POSIX - shm_open、shm_unlink、ftruncate、fstat、mmap、munmap、msync、mprotect

实际上，mmap()系统调用并不是完全为了用于共享内存而设计的。它本身提供了不同于一般对普通文件的访问方式，进程可以像读写内存一样对普通文件的操作。而Posix或系统V的共享内存IPC则纯粹用于共享目的，当然mmap()实现共享内存也是其主要应用之一。

2.1 mmap

#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>

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

函数说明：mmap()用来将某个文件内容映射到内存中，对该内存区域的存取即是直接对该文件内容的读写。
参数说明：

参数	说明
start	指向欲对应的内存起始地址，通常设为NULL，代表让系统自动选定地址，对应成功后该地址会返回。
length	代表将文件中多大的部分对应到内存。
prot	代表映射区域的保护方式，有下列组合： PROT_EXEC  映射区域可被执行； PROT_READ  映射区域可被读取； PROT_WRITE  映射区域可被写入； PROT_NONE  映射区域不能存取。 由于只能映射已经打开的文件，所以这个权限位不能超出open函数指定的权限，比如说在open的时候指定为只读，那就不能在此时指定PORT_WRITE
flags	会影响映射区域的各种特性： MAP_FIXED  如果参数 start 所指的地址无法成功建立映射时，则放弃映射，不对地址做修正。通常不鼓励用此旗标。 MAP_SHARED  对应射区域的写入数据会复制回文件内，而且允许其他映射该文件的进程共享。 MAP_PRIVATE  对应射区域的写入操作会产生一个映射文件的复制，即私人的"写入时复制" (copy on write)对此区域作的任何修改都不会写回原来的文件内容。 MAP_ANONYMOUS  建立匿名映射，此时会忽略参数fd，不涉及文件，而且映射区域无法和其他进程共享。 MAP_DENYWRITE  只允许对应射区域的写入操作，其他对文件直接写入的操作将会被拒绝。 MAP_LOCKED  将映射区域锁定住，这表示该区域不会被置换(swap)。 在调用mmap()时必须要指定MAP_SHARED 或MAP_PRIVATE。
fd	open()返回的文件描述词，代表欲映射到内存的文件。如果使用匿名内存映射时，即flags中设置了MAP_ANONYMOUS，fd设为-1。有些系统不支持匿名内存映射，则可以使用fopen打开/dev/zero文件，然后对该文件进行映射，可以同样达到匿名内存映射的效果。
offset	文件映射的偏移量，通常设置为0，代表从文件最前方开始对应，offset必须是分页（PAGE_SIZE）大小的整数倍。

返回值：若映射成功则返回映射区的内存起始地址，否则返回MAP_FAILED(-1)，错误原因存于errno 中。
错误代码：

• EBADF  参数fd 不是有效的文件描述词。
• EACCES  存取权限有误。如果是MAP_PRIVATE 情况下文件必须可读，使用MAP_SHARED 则要有PROT_WRITE 以及该文件要能写入。
• EINVAL  参数start、length 或offset 有一个不合法。
• EAGAIN  文件被锁住，或是有太多内存被锁住。
• ENOMEM  内存不足。

注意：匿名内存映射 ： mmap调用时，flags设为MAP_SHARED | MAP_ANON，fd设为-1，offset设为0即可

2.2 msync

默认情况下，内核采用虚拟内存算法保持内存映射文件与内存映射区的同步，前提是指定了MAP_SHARED标志，但这种同步可能不是立即生效的，而是在随后某个时间进行。但有时候我们修改完数据并进行下一步操作之前，需要确认数据已经同步完成，这时可调用msync函数。

#include<unistd.h>
#include<sys/mman.h>

int msync ( void *addr , size_t len, int flags)

参数说明：

参数	说明
addr	mmap返回的数值
len	指定映射区的长度，它需要与mmap中指定相同。
flags	MS_ASYNC  不要求内核做什么，让内核自主去执行同步，执行异步写，msync立即返回； MS_SYNC  要求内核在返回之前把写操作完成，执行同步写，msync等同步完成才返回； MS_INVALIDATE  是一个可选的标志，它告诉内核丢弃没有同步的部分，使高速缓存的数据失效； MS_ASYNC 、MS_SYNC 必须指定其一

返回值：成功则返回0；失败则返回-1；多进程的内存

可能的错误：EBUSY/ EINVAL/ ENOMEM

2.3 mprotect 

mprotect()函数可以修改调用进程内存页的保护属性，如果调用进程尝试以违反保护属性的方式访问该内存，则内核会发出一个SIGSEGV信号给该进程。这个可以用来做多线程的内存保护功能。

#include<unistd.h>
#include<sys/mman.h>

int mprotect(void *addr, size_t len, int prot);

参数说明：

参数	说明
addr	mmap返回的数值
len	指定映射区的长度，它需要与mmap中指定相同。
prot	可以取以下几个值，并可以用“|”将几个属性结合起来使用： PROT_READ：内存段可读； PROT_WRITE：内存段可写； PROT_EXEC：内存段可执行； PROT_NONE：内存段不可访问

返回值：成功则返回0；失败则返回-1；

可能的错误：

1）EACCES：无法设置内存段的保护属性。当通过 mmap(2) 映射一个文件为只读权限时，接着使用 mprotect() 标志为 PROT_WRITE这种情况就会发生。
2）EINVAL：addr不是有效指针，指向的不是某个内存页的开头，或者不是系统页大小的倍数。
3）ENOMEM：内核内部的结构体无法分配

如果调用进程内存访问行为侵犯了这些设置的保护属性，内核会为该进程产生 SIGSEGV （Segmentation fault，段错误）信号，并且终止该进程。

2.4 munmap

当进程结束或利用exec 相关函数来执行其他程序时，映射内存会自动解除，但关闭对应的文件描述词时不会解除映射。注意：当映射关系解除后，对原来映射地址的访问将导致段错误发生。 

#include <unistd.h> ? ? ??
#include <sys/mman.h>

int munmap(void *start, size_t length);

参数说明：

参数	说明
start	映射内存起始地址，mmap返回的数值
len	指定映射区的长度，它需要与mmap中指定相同。

返回值：成功则返回0；失败则返回-1；

可能的错误：errno被设为以下的某个值   

EACCES：访问出错
EAGAIN：文件已被锁定，或者太多的内存已被锁定
EBADF：fd不是有效的文件描述词
EINVAL：一个或者多个参数无效
ENFILE：已达到系统对打开文件的限制
ENODEV：指定文件所在的文件系统不支持内存映射
ENOMEM：内存不足，或者进程已超出最大内存映射数量
EPERM：权能不足，操作不允许
ETXTBSY：已写的方式打开文件，同时指定MAP_DENYWRITE标志
SIGSEGV：试着向只读区写入
SIGBUS：试着访问不属于进程的内存区

2.5 shm_open和shm_unlink函数

shm_open用于创建一个新的Posix共享内存对象或打开一个已存在的Posix共享内存对象。
shm_unlink用于从系统中删除一个Posix共享内存对象。

//成功返回非负描述符，失败返回-1
int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);

//成功返回0，失败返回-1
int shun_unlink(const char *name);

shm_open参数说明：

• oflag参数不能设置O_WRONLY标志
• 和mq_open、sem_open不同，shm_open的mode参数总是必须指定，当指定了O_CREAT标志时，mode为用户权限位，否则将mode设为0

shm_open的返回值是一个描述符，它随后用作mmap的第五个参数fd。

2.6 ftruncate和fstat函数

处理mmap的时候，普通文件或Posix共享内存对象的大小都可以通过调用ftruncate设置。

#include <unistd.h>

//成功返回0，失败返回-1
int ftruncate(int fd, off_t length):

• 对于普通文件，若文件长度大于length，额外的数据会被丢弃；若文件长度小于length，则扩展文件大小到length
• 对于Posix共享内存
• 对象，ftruncate把该对象的大小设置成length字节

我们调用ftruncate来指定新创建的Posix共享内存对象大小，或者修改已存在的Posix共享内存对象大小。

• 创建新的Posix共享内存对象时指定大小是必须的，否则访问mmap返回的地址会报bus error错误
• 当打开一个已存在的Posix共享内存对象时，可以调用fstat来获取该对象的信息

#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>

//成功返回0，失败返回-1
int fstat(int fd, struct stat *buf);

stat结构有12个或以上的成员，然而当fd指代一个Posix共享内存对象时，只有四个成员含有信息：

struct stat
{
    mode_t st_mode;  //用户访问权限
    uid_t  st_uid;   //user id of owner
    gid_t  st_gid;   //group id of owner
    off_t  st_size;  //文件大小
};

2.7 POSIX共享内存的方法

Posix.1提供了两种在任意进程间共享内存区的方法。

• 内存映射IO：该方法其实也可以用于无亲缘关系进程间共享内存
• Posix共享内存：这是Posix IPC的第三种机制

这两种技术都需要调用mmap，区别在于mmap参数fd的获取手段：

• 内存映射IO通过open获得
• Posix共享内存通过shm_open获得

3、共享内存 - SYSTEM V - shmat、shmctl、shmdt、shmget

 

 

 

 

 

共享内存应用中的问题及解决方法

https://www.ibm.com/developerworks/cn/aix/library/au-cn-sharemem/index.html

内容总结

以上是互联网集市为您收集整理的IPC - Unix - 共享内存全部内容，希望文章能够帮你解决IPC - Unix - 共享内存所遇到的程序开发问题。 如果觉得互联网集市技术教程内容还不错，欢迎将互联网集市网站推荐给程序员好友。

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