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主题： 对话 UNIX: 通过共享内存进行进程间通信

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发表于：

2011-8-18 16:29:00 | [全部帖] [楼主帖]

楼主

从表面上看，UNIX® 应用程序单独控制底层主机。它随时可以访问处理器，它的内存是神圣不可侵犯的，连接它的设备只为它服务。但是表面现象会骗人，这样有如君主一般的绝对地位只是幻想而已。UNIX 系统同时运行大量应用程序，有限的物理资源要在它们之间共享。处理器能力被划分为时间片，应用程序映像经常被换入和换出真实内存，设备访问由需求驱动，还受到访问权限的限制。尽管您的 shell 提示符不断闪烁，但是 UNIX 系统并非只是等着您发出命令，在幕后有许多活动正在进行。

常用缩略词

API：应用程序编程接口
IPv4：Internet 协议第 4 版
IPv6：Internet 协议第 6 版
POSIX：UNIX 的可移植操作系统接口

尽管涉及一些复杂的机制，但是大多数应用程序不会注意到资源实际上是共享的，它们似乎是独享资源。但是，可以编写相互交互的应用程序。例如，一个应用程序收集或生成数据，而另一个应用程序同时监视进度并分析信息。另一个例子是即时交换消息的聊天系统，其中有两个对等的应用程序相互收发数据。Secure Shell (ssh) 也是这样，它可以在两个完全不同的主机之间进行协作。在这些情况下，代码都要连接另一段独立的代码以交换信息，这常常需要使用某种协议协商和控制交换过程。

UNIX 为实现这样的进程间通信

提供了多种技术。一些技术提供同一主机上的进程间通信，其他技术可以实现主机到主机的信息交换。另外，各种技术的速度不同，所以必须选择最合适自己需求的技术。还必须进行协调（实施时间控制和排他控制）。例如，如果一个应用程序产生数据，另一个应用程序消费数据，那么当读完共享池时消费者必须停下来等待生产者。另一方面，如果消费者无法足够快地读取池，生产者必须慢下来或暂停。

总结在典型的 UNIX 系统上可用的进程间通信形式。

表 1. UNIX 中的进程间通信
名称说明范围用途文件在典型的 UNIX 文件中读写数据。任意数量的进程都可以互操作。本地共享大数据集管道使用专用的文件描述符在两个进程之间传输数据。通信只在父进程和子进程之间进行。本地简单的数据共享，比如生产者和消费者命名管道通过专用的文件描述符在进程之间交换数据。通信可以在同一主机上的任意两个对等进程之间进行。本地生产者和消费者或命令-控制，比如 MySQL 和它的命令行查询工具信号通过中断通知应用程序某一情况。本地无法在信号中传输数据，所以信号主要用于进程管理共享内存通过在同一内存段中读写数据共享信息。本地任何类型的协作，尤其适合需要安全性的情况套接字完成特殊的设置过程之后，使用一般的输入/输出操作传输数据。本地或远程 FTP、ssh

和

Apache Web Server 等网络服务

正如前面提到的，每种技术满足不同的需求。假设多个进程之间的协作的复杂性大体相当，每种方法的优点和缺点如下：

通过一般的 UNIX 文件共享数据很简单，因为它使用大家熟悉的文件操作。但是，通过文件系统共享数据很慢，因为磁盘输入和输出操作的效率远远比不上内存。另外，只通过文件读写数据很难协调。最后，在文件中保存敏感数据是不安全的，因为根用户和拥有特权的其他用户可以访问这些信息。对于只读或只写的数据，适合使用文件。
管道和命名管道也很简单。它们在连接的两端使用两个标准的文件描述符 — 一个只执行读操作，另一个只执行写操作。但是，管道只能在父进程和子进程之间使用，不能在任意两个进程之间使用。命名管道克服了这个缺点，是在同一系统上交换数据的好方法。但是，管道和命名管道都不提供随机访问，因为它们都作为先入先出 (FIFO) 设备。
信号无法在进程之间传输数据。一般情况下，信号应该只用于在进程之间通知异常情况。
共享内存适合比较大的数据集，因为它使用内存，支持快速的随机访问。共享内存的实现有点儿复杂，尽管如此，对于多个进程之间的主机内
协作，共享内存是不错的方法。
套接字的功能与命名管道很相似，但是可以跨主机。本地套接字
（也称为
UNIX 套接字
）只能进行本地（同一主机上的）连接。
Inet
和
Inet6 套接字分别使用 IPv4
和
IPv6 协议，它们接受远程连接（也可以通过本地机器的 Internet 寻址机制接受本地连接）。网络应用程序显然应该选择套接字，比如分布式处理或 web 浏览器。所需的代码比命名管道复杂一点儿，但是模式是固定的，在任何 UNIX 网络编程书中都有介绍。

现在不考虑主机间

应用程序通信，看看如何通过共享内存在同一主机上进行进程间通信。

共享内存的工作方式

顾名思义，共享内存让一段内存可供多个进程访问。用特殊的系统调用（即对 UNIX 内核的请求）分配和释放内存并设置权限；通过一般的读写操作读写内存段中的数据。

共享内存并不是从某一进程拥有的内存中划分出来的；进程的内存总是私有的。共享内存是从系统的空闲内存池中分配的，希望访问它的每个进程连接它。这个连接过程称为映射，它给共享内存段分配每个进程的地址空间中的本地地址。图 1、图 2、图 3

和

图 4 说明此过程：

假设在同一系统上有两个进程 A
和
B 正在运行（见图 1），它们可以通过共享内存进行协作和共享信息。在图中 A
和
B 采用不同大小的图形，以此强调应用程序不必相同。

图 1. 两个进程在同一个主机上运行，执行不同的代码
在图 2 中，进程 A 请求一个共享内存段。进程 A 对这个内存段进行初始化，让它准备好接受访问。这个过程还给内存段命名，让其他进程可以找到它。通常，内存段名称并不是动态分配的；而是众所周知的，比如使用头文件中的常量，其他代码可以方便地引用它。

图 2. 一个进程请求共享内存段
进程 A 把共享内存段连接（即映射）到自己的地址空间。进程 B 通过它的命名管道找到这个内存段，也把它映射到自己的地址空间，见图 3。两个进程扩大了，表示包含共享内存段。

图 3. 两个进程连接（即映射）共享内存段
最后，在图 4 中，进程 A
和
B 可以随意读写共享内存段。按照与本地进程内存相同的方式对待共享内存。read()
和
write() 的作用与一般情况下一样。

图 4. 两个或更多进程现在可以通过共同的内存共享数据

这些图中所示的许多工作可以通过 UNIX 共享内存 API 执行。实际上，有两套共享内存 API：POSIX API 和比较老（但是仍然有效）的 System V API。因为 POSIX 是 UNIX

和

Linux® 及其衍生系统上的公认标准，所以我们使用此版本。另外，POSIX API 使用简单的文件描述符执行读写，大家应该更熟悉。

POSIX 为创建、映射、同步和取消共享内存段提供五个入口点：

shm_open()：创建共享内存段或连接到现有的已命名内存段。这个系统调用返回一个文件描述符。
shm_unlink()：根据（shm_open() 返回的）文件描述符，删除共享内存段。实际上，这个内存段直到访问它的所有进程都退出时才会删除，这与在 UNIX 中删除文件很相似。但是，调用 shm_unlink() （通常由原来创建共享内存段的进程调用）之后，其他进程就无法访问这个内存段了。
mmap()：把共享内存段映射到进程的内存。这个系统调用需要 shm_open() 返回的文件描述符，它返回指向内存的指针。（在某些情况下，还可以把一般文件或另一个设备的文件描述符映射到内存。对这些操作的讨论超出了本文的范围；具体方法请查阅操作系统的 mmap() 文档。）
munmap()：作用与 mmap() 相反。
msync()：用来让共享内存段与文件系统同步 — 当把文件映射到内存时，这种技术有用。

使用共享内存的过程是，用 shm_open() 创建内存段，用 write() 或 ftruncate() 设置它的大小，用 mmap() 把它映射到进程内存，执行其他参与者需要的操作。当使用完时，原来的进程调用 munmap()

和

shm_unlink()，然后退出。

示例应用程序

清单 1 给出一个简单的共享内存示例。（代码取自 John Fusco 撰写的 The Linux Programmer's Toolbox

一书 [由 Prentice Hall Professional 于 2007 年 3 月出版，ISBN 0132198576]，已经得到出版商的使用授权。）代码实现通过共享内存段通信的父进程和子进程。

清单 1. 共享内存示例

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/file.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/wait.h>

void error_and_die(const char *msg) {
       perror(msg);
       exit(EXIT_FAILURE);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
       int r;

       const char *memname = "sample";
       const size_t region_size = sysconf(_SC_PAGE_SIZE);

       int fd = shm_open(memname, O_CREAT | O_TRUNC | O_RDWR, 0666);
       if (fd == -1)
       error_and_die("shm_open");

       r = ftruncate(fd, region_size);
       if (r != 0)
       error_and_die("ftruncate");

       void *ptr = mmap(0, region_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
       if (ptr == MAP_FAILED)
       error_and_die("mmap");
       close(fd);

       pid_t pid = fork();

       if (pid == 0) {
             u_long *d = (u_long *) ptr;
             *d = 0xdbeebee;
             exit(0);
       }
       else {
             int status;
             waitpid(pid, &status, 0);
             printf("child wrote %#lx\n", *(u_long *) ptr);
       }

       r = munmap(ptr, region_size);
       if (r != 0)
       error_and_die("munmap");

       r = shm_unlink(memname);
       if (r != 0)
       error_and_die("shm_unlink");

       return 0;
}

下面是代码中的一些要点：

对 shm_open() 的调用看起来应该很熟悉；它与 open() 函数很相似，包括初始化内存段和设置权限的方式。在这里，内存段是全局可读、全局可写的。如果调用成功，返回下一个未使用的文件描述符；否则，返回 -1 并相应地设置 errno。
ftruncate() 把文件的大小设置为 region_size 字节，这以前设置为系统的标准页面大小。sysconf() 是 libc 的组成部分。（还可以使用 shell 工具 getconf 检查系统的配置设置。）
mmap() 连接共享内存段，返回用于对内存段直接读写字节的指针。PROT_READ
和
PROT_WRITE 分别表示可以读和写这个内存段中的页面。MAP_SHARED 表示对这个内存段的任何修改应该向所有参与共享的进程 “公开”。
如果您使用过 fork()，那么应该熟悉代码的计算部分。执行 fork 之后，父进程和子进程获得打开的所有文件描述符和数据值的拷贝，所以指针对于它们都是有效的。但是，pid 不同。子进程获得 0，父进程获得子进程的进程 ID，这个变量的值决定执行哪个 if/then/else 分支。子进程向指针写一些字节，然后退出。父进程等待子进程退出，然后读取它写的数据。
但是，在父进程退出之前，它必须释放共享内存。用 munmap()
和
shm_unlink() 完成这个步骤。

这个示例非常简单。真实的应用程序会使用信号量或其他技术控制对共享内存段的读写。这种控制通常因应用程序而异，如果您的 UNIX 版本不是开放源码的，可以在 Berkeley Software Distribution (BSD)

和

Linux 源代码中找到许多示例。

结束语

因为 UNIX 同时运行许多应用程序，所以它是非常适合监视、数据收集、协作和分布式计算以及客户机-服务器应用程序的平台。共享内存是速度最快的进程间通信技术，而且非常灵活。还可以把文件映射到内存，这是加快数据访问的理想解决方案。