Linux下进程间通信之共享内存同步方法(互斥锁，信号量和信号)

先说结论：使用的还是，“互斥锁”，“信号量” 和 “信号” 进行同步。=========================================================================以下为转载部分：linux实现共享内存同步的四种方法_sunxiaopengsun的专栏-CSDN博客_共享内存同步机制————————————————————————————————

艾特号

7312人浏览 · 2021-12-15 10:34:18

艾特号 · 2021-12-15 10:34:18 发布

先说结论：使用的还是，“互斥锁”，“信号量” 和 “信号” 进行同步。

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以下为转载部分：linux实现共享内存同步的四种方法_sunxiaopengsun的专栏-CSDN博客_共享内存同步机制

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同步(synchronization)指的是多个任务(线程)按照约定的顺序相互配合完成一件事情。由于多

个进程共享一段内存，因此也需要依靠某种同步机制，如互斥锁和信号量等。

信号量(semaphore)，它是不同进程间或一个给定进程内部不同线程间同步的机制。信号量包

括：posix有名信号量、 posix基于内存的信号量(无名信号量) 和 System V信号量(IPC对象)。

方法一：利用POSIX有名信号量实现共享内存的同步

有名信号量既可用于线程间的同步，又可用于进程间的同步。

两个进程，对同一个共享内存读写，可利用有名信号量来进行同步。一个进程写，另一个进

程读，利用两个有名信号量“semr”, “semw”。semr信号量控制能否读，初始化为0。 semw信号量

控制能否写，初始为1。

以下这两段代码中，读程序刚开始会一直阻塞到写程序往内存中写入数据后，给读信号量

“semr”加1后才会继续运行。而写程序，由于刚开始的写信号量初始化为1，此时写信号量“semw”

在执行“sem_wait”后会减1。因此会直接执行写操作后，给读信号量“semr”加1，出发读程序继续往

下进行。

读共享内存的程序示例代码如下：

        // 创建一个名为"mysem_r"的读信号量(有名信号量)
        semr = sem_open("mysem_r", O_CREAT | O_RDWR , 0666, 0);
        if (semr == SEM_FAILED)
        {
                printf("errno=%d\n", errno);
                return -1;
        }

        // 创建一个名为"mysem_w"的写信号量(有名信号量)
        semw = sem_open("mysem_w", O_CREAT | O_RDWR, 0666, 1);
        if (semw == SEM_FAILED)
        {
                printf("errno=%d\n", errno);
                return -1;
        }
        
        // 创建共享内存区域
        if ((shmid = shmget(key, MAXSIZE, 0666 | IPC_CREAT)) == -1)
        {
                perror("semget");
                exit(-1);
        }
        
        // 获取共享内存区域地址
        if ((shmadd = (char *)shmat(shmid, NULL, 0)) == (char *)(-1))
        {
                perror("shmat");
                exit(-1);
        }
        
        // 读取内存区数据
        while (1)
        {
                sem_wait(semr);// 阻塞等待读信号量的值为1后，减1返回
                printf("%s\n", shmadd);
                sem_post(semw); // 读完之后设置写信号量，加1返回
        }

写共享内存的程序示例代码如下：

        。。。。。。
        // 以上同读的程序一致
        while (1)
        {
                sem_wait(semw);
                printf(">");
                fgets(shmadd, MAXSIZE, stdin);
                sem_post(semr); 
        }

方法二：利用POSIX无名信号量实现共享内存的同步

POSIX无名信号量是基于内存的信号量，可以用于线程间同步也可以用于进程间同步。若实

现进程间同步，需要在共享内存中来创建无名信号量。因此，共享内存需要定义以下的结构体。

typedef struct
{
        sem_t semr;
        sem_t semw;
        char buf[MAXSIZE];
}SHM;

即在互相访问共享内存中数据的时候，查询信号量的状态来进行同步。这种方法并不太方便

，使用方式与下面介绍的利用互斥锁的机制差不多。

读、写程序流程如下图所示：

方法三：利用System V的信号灯实现共享内存的同步

System V的信号灯是一个或者多个信号灯的一个集合。其中的每一个都是单独的计数信号

灯。而Posix信号灯指的是单个计数信号灯。

System V 信号灯由内核维护，主要函数semget，semop，semctl 。

一个进程写，另一个进程读，信号灯集中有两个信号灯，下标0代表能否读，初始化为0。下

标1代表能否写，初始为1。

程序流程如下：

方法四：利用信号实现共享内存的同步

该方法的局限在于必须获取对方的进程号，虽然可以通过其他方式获取，但相比有名信号量，还是不那么方便。

信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟，是一种异步通信方式。利用信号也可以实现共享内存的同步。

思路：

reader和writer通过信号通信必须获取对方的进程号，可利用共享内存保存双方的进程号。

reader和writer运行的顺序不确定，可约定先运行的进程创建共享内存并初始化。

利用pause, kill, signal等函数可以实现该程序（流程和前边类似）。

方法五：利用互斥锁实现共享内存的同步

以下为转载：基于互斥锁同步机制的Linux共享内存简单实例_szkbsgy的专栏-CSDN博客_linux共享内存同步机制

这种方法与方法二差不多，需要在访问共享内存中数据的时候，查询互斥锁的状态来进行同步。

sm_common.h文件

#ifndef __SM_COMMON_H__
#define __SM_COMMON_H__
 
#include <pthread.h>
 
#define SM_BUF_SIZE 1024
#define SM_ID 0x1122
 
// 定义的共享内存区数据结构
// 内部携带一把互斥锁
struct sm_msg
{
	int flag;
	pthread_mutex_t sm_mutex;    // 定义互斥锁
	char buf[SM_BUF_SIZE];
};
 
 
#endif

sm_server.c文件

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/shm.h>
#include <pthread.h></span>
 
#include "sm_common.h"
 
 
int main(void)
{
	int shm_id = -1;
	int ret = -1;
	int key = -1;
	int running = 1;

	struct sm_msg *msg = NULL;
	void *shared_memory = NULL;
    
    // 创建互斥锁
	pthread_mutexattr_t attr; 
	pthread_mutexattr_init(&attr);
	pthread_mutexattr_setpshared(&attr, PTHREAD_PROCESS_SHARED);
	
    // 创建一片共享内存，使用同一个key: SM_ID
    //key = ftok( "./sm_common.h", 1 );
	//printf("key: %d\n", key);
	shm_id = shmget((key_t)SM_ID, sizeof(struct sm_msg), 0666|IPC_CREAT);

	if(shm_id < 0)
	{
    	perror("fail to shmget");
	    exit(1);
	}

#if 1	
	shared_memory = shmat(shm_id, NULL, 0);
	if (shared_memory == NULL) 
    {
		perror("Failed to shmat");
		exit(1);
    }
 
	msg = (struct sm_msg *)shared_memory;

	msg->flag = 0;// 使用该标记位同步读写
  
    // 创建并初始化互斥锁
	pthread_mutex_init(&msg->sm_mutex, &attr);
 
	while (running) 
    {
		pthread_mutex_lock(&msg->sm_mutex);// 阻塞,等待锁释放
		if (msg->flag == 1) 
        {
			printf("Read message: %s\n", msg->buf);
			msg->flag = 0;
			pthread_mutex_unlock(&msg->sm_mutex);
			if (strncmp(msg->buf, "exit", 4) == 0) 
            {
				running = 0;
			}
		} 
        else
        {
			printf("No available data to read, sleep...\n");
			pthread_mutex_unlock(&msg->sm_mutex);
			sleep(2);
		}
 
    	ret = shmdt(shared_memory);
	    if (ret < 0)
        {
		    perror("Failed to shmdt");
		    exit(1);
	    }
 
	    if(shmctl(shm_id, IPC_RMID, 0) < 0)
	    {
		    perror("failed to shmctl");
		    exit(1);
	    }
#endif
	return 0;
}

sm_client.c文件

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/shm.h>
#include <pthread.h>
 
#include "sm_common.h"
 
 
int main(void)
{
	int shm_id = -1;
	int ret = -1;
	int key = -1;
	int running = 1;
	struct sm_msg *msg = NULL;
	void *shared_memory = NULL;

     // 创建一片共享内存，使用同一个key: SM_ID
	//	key = ftok( "./sm_common.h", 1 );
	//printf("key: %d\n", key);
	shm_id = shmget((key_t)SM_ID, sizeof(struct sm_msg), 0666|IPC_CREAT);
	if(shm_id < 0)
	{
	    perror("fail to shmget");
	    exit(1);
	}
 
	shared_memory = shmat(shm_id, NULL, 0);
	if (shared_memory == NULL)
    {
		perror("Failed to shmat");
		exit(1);
	}
 
	msg = (struct sm_msg *)shared_memory;
 
	char buf[32];
	while (running) 
    {
		printf("wait lock\n");
		pthread_mutex_lock(&msg->sm_mutex);// 阻塞等待内部的互斥锁
		printf("get lock\n");
		if(msg->flag == 1) 
        {
			printf("Wait for other process's reading\n");
			pthread_mutex_unlock(&msg->sm_mutex);
			sleep(2);
		} 
        else 
        {
			printf("Please input data\n");
			fgets(buf, 32, stdin);
			printf("Write msg: %s\n", buf);
			strncpy(msg->buf, buf, sizeof(buf));		
			msg->flag = 1;
			if (strncmp(msg->buf, "exit", 4) == 0) 
            {
				running = 0;
			}
			pthread_mutex_unlock(&msg->sm_mutex);
		}
	}
 
	ret = shmdt(shared_memory);
	if (ret < 0) 
    {
		perror("Failed to shmdt");
		exit(1);
	}
	
#if 0 //Do this in server.
	if(shmctl(shm_id, IPC_RMID, 0) < 0)
	{
		perror("failed to shmctl");
		exit(1);
	}
#endif
	return 0;
}

使用方法：

1. 打开终端1，运行服务端：./sm_server

2.打开终端2，运行客户端：./sm_client

3.在终端2输入字符串，在终端1可看到相应输出