Linux多进程间通信——共享内存实现

又到了每周分享时刻，这周我要分享的是关于Linux中进程间通信问题，这对于底层程序的实现至关重要，进程间通信方式主要包括管程、共享内存、消息传递、套接字这几种方式，这个专题我主要介绍两种进程间通信方式，共享内存和套接字通信。为什么介绍这两种呢，因为共享内存是实现进程间通信最有效的方式，效率高，创建一块虚拟共享内存之后，所有的进程只要映射到这块内存之后就可以完成通信，但是需要做好进程间的同步与互斥。而socket套接字通信又是实现不同主机进程通信的方式，掌握了这两种通信方式，你就能够实现上位机和开发板之间的通信传输，以及实现开发板中不同进程之间的协作完成一个功能。

下面正式开始我们这个专题的讲解，首先介绍使用共享内存来实现进程间通信的实现。

1、共享内存的实现原理

共享内存顾名思义就是有一块内存是各进程可以共享的，在操作系统也被称为临界区，对临界区的访问需要进行进程间的互斥操作，不然得到的结果就不是所期望的结果。

那共享内存由进程中的哪一个进程创建呢，进程中的哪一个进程都可以创建共享内存，其他进程只需要将共享内存映射到自己的地址空间中就可以访问。

如果我创建了两个共享内存，两个进程间怎么来区分我访问的是同一个共享内存呢，这就需要给共享内存创建一个自己的身份ID，需要访问该共享内存的进程在映射时也带上这个ID，就可以区分访问的共享内存是哪一个了。

下面我们就可以给出创建共享内存的步骤了：

一、创建一个共享内存的键值，也就是给共享内存一个身份证

key_t shmkey = ftok(".", 0);//这里的"."就是身份证

二、用共享内存的键值创建共享内存

shmid = shmget(shmkey, 1024, 0666|IPC_CREAT);

这里的1024表示创建的共享内存的大小，IPC_CREAT表示的时创建共享内存。shmid表示共享内存的标识符。

三、将共享内存标识符映射到本进程的地址空间中

addr = shmdt(shmid, 0, 0);

映射成功之后，我们就可以对addr访问，就相当于访问了共享内存中的数据。

四、删除进程中的共享内存

shmdt(addr);

五、销毁创建的共享内存

shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);

上面五步就是创建共享内存的步骤，其中第五步在互相通信的任一进程中操作即可。

掌握了共享内存的实现原理，下面我们就可以用共享内存来实现进程间的通信了。

2、进程间通信案例

这里我们完成一个写进程和读进程，shmmutexWrite.c向共享内存中写入数据，shmumutexRead.c从共享内存中读取数据。

我先给出shmmutexWrite.c的源代码：

//向共享内存写入数据
#include <semaphore.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

#define BUFFER_SIZE 10
#define sem_name "mysem"

int main(){
	struct People{
		char name[10];
		int age;
	};
	
	int shmid;//定义一个共享内存标识符
	sem_t *sem;//定义一个信号量
	int age = 10, i = 1;
	char buff[BUFFER_SIZE];
	key_t shmkey;//定义一个共享内存的键值
	shmkey = ftok("shmmutexRead.c", 0);
	//创建共享内存和信号量的IPC
	sem = sem_open(sem_name, O_CREAT, 0644, 1);
	if(sem == SEM_FAILED){
		printf("ubable to creat semaphore!\n");
		sem_unlink(sem_name);
		exit(-1);
	}
	shmid = shmget(shmkey, 1024, 0666|IPC_CREAT);
	if(shmid == -1){
		printf("shmget failed!\n");
	}
	struct People *addr;
	//将共享内存映射到当前进程中
	addr = (struct People*)shmat(shmid, 0, 0);
	if(addr == (struct People*)-1){
		printf("shmat failed\n");
	}
	//向共享内存写入数据
	addr->age = 0;
	printf("写进程映射的共享内存地址 = %p\n", addr);
	do{
		sem_wait(sem);//信号量初始值为1，现在减1，为0
		memset(buff, 0, BUFFER_SIZE);
		memset((addr+i)->name, 0, BUFFER_SIZE);
		printf("写进程：输入一些姓名（不超过10个字符）到共享内存：\n");
		if(fgets(buff, BUFFER_SIZE, stdin) == NULL){
			perror("fgets\n");
			sem_post(sem);
			break;
		}
		strncpy((addr + i)->name, buff, strlen(buff) - 1);
		(addr + i)->age = ++age;
		addr->age++;
		i++;
		sem_post(sem);
		sleep(1);
	}while(strncmp(buff, "quit", 4) != 0);
	if(shmdt(addr) == -1){
		printf("shmdt if failed\n");
	}
	sem_close(sem);
	sem_unlink(sem_name);
}

本来shmmutexRead.c的代码想让你们自己写的，练练手，因为两个程序基本一样，下面我也直接给出吧。

//从共享内存中读取数据
#include <semaphore.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

#define sem_name "mysem"

int main(){
	int shmid;
	sem_t *sem;
	int i = 1;
	key_t shmkey;
	shmkey = ftok("shmmutexRead.c", 0);
	struct People{
		char name[10];
		int age;
	};
	
	sem = sem_open(sem_name, 0, 0644, 0);
	if(sem == SEM_FAILED){
		printf("unable open semapore\n");
		sem_close(sem);
		exit(-1);
	}
	shmid = shmget(shmkey, 0, 0666);
	if(shmid == -1){
		printf("shmget failed\n");
		exit(0);
	}
	
	struct People* addr;
	addr = (struct People*)shmat(shmid, 0, 0);
	if(addr == (struct People*)-1){
		printf("shm shmat is failed\n");
		exit(0);
	}
	printf("读进程映射的共享内存地址 = %p\n", addr);
	
	do{
		sem_wait(sem);
		if(addr->age > 0){//说明共享内存已经写入数据
			printf("读进程：绑定到共享内存 %p : 姓名 %d %s, 年龄%d \n", addr, i, (addr + i)->name, (addr+i)->age);
			addr->age--;
			if(strncmp((addr+i)->name, "quit", 4) == 0) break;
			i++;
		}
		sem_post(sem);
	}while(1);
	sem_close(sem);
	
	if(shmdt(addr) == -1) printf("shmdt failed\n");
	if(shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1) printf("shmctl delete error\n");
}

先运行创建共享内存的进程shmmutexWrite.c，在运行shmmutexRead.c。

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