【Linux系统编程】06：共享内存

共享内存

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一、文件上锁flock

可以利用flock系统调用实现，当有一个进程在文件中进程写入操作时，其他进程无法在该文件中进行写操作（只能进行读操作）。

• 多进程实现前n项数求和（利用flock实现）

#include "head.h"struct data {int now;//中间结果int sum;//求和结果
};void getnum(struct data *d) {int fd;if ((fd = open(".data", O_RDONLY)) < 0) {perror("setopen");exit(1);}read(fd, (void *)d, sizeof(struct data));close(fd);
}void setnum(struct data *d) {int fd;if ((fd = open(".data", O_RDWR | O_CREAT, 0600)) < 0) {//只有文件的所属用户（当前的进程）有访问以及写的权限perror("getopen");exit(1);}write(fd, (void *)d, sizeof(struct data));close(fd);
}void doSum(struct data *d, int max, int i) {int fd_lock;//将lock标志给到某个文件上(.lock) 通过该文件判断进程是否有资格打开另一个被保护的文件(.data)if ((fd_lock = open(".lock", O_RDONLY)) < 0) {perror("lockopen");exit(1);}while (1) {//计算的过程需要上锁flock(fd_lock, LOCK_EX);//加锁(加锁后其他进程后面计算的语句将无法执行)getnum(d);//从.data取出上个结果if (d->now >= max) break;//判断 计算结果d->now++;d->sum += d->now;setnum(d);//将计算的结果放回.dataprintf("<i am the %dth child> now = %d, sum = %d\n", i, d->now, d->sum);flock(fd_lock, LOCK_UN);//为解锁}close(fd_lock);
}int main(int argc, char *argv[]) {//多进程实现求前n项和 同一时刻只有一个进程持有该文件//计算从0到n的和 m个进程//a.out -i -n nint opt;int ins = 1, max = 100;struct data d;d.now = 0;d.sum = 0;setnum(&d);while ((opt = getopt(argc, argv, "i:n:")) != -1) {switch (opt) {case 'i':ins = atoi(optarg);break;case 'n':max = atoi(optarg);break;default:fprintf(stderr, "Usage : %s -i num1 -n num2", argv[0]);exit(1);}}int i;pid_t pid;for (i = 0; i < ins; ++i) {//创建ins个进程对文件进行doSum操作if ((pid = fork()) < 0) {perror("fork()");exit(1);}if (pid == 0) break;}if (pid == 0) {doSum(&d, max, i);} else {for (int k = 0; k < ins; ++k) wait(NULL);}return 0;
}

二、共享内存

允许两个或多个进程共享一个给定的存储区，由于无需复制数据，这是最快的IPC进程间通信。

1.关联共享内存ftok

#include "head.h"int main() {//ftok将projectId与文件名字转换为键值对key_t key;if ((key = ftok("1.ftok.c", 123)) < 0) {perror("ftok");exit(1);}printf("key = 0x%x\n", key);printf("123 = 0x%x\n", 123);return 0;
}

2.获取共享内存shmget

#include "head.h"int main() {//1.申请一块共享内存 将projectId与文件名字转换为 共享内存键值key_t key;if ((key = ftok("1.ftok.c", 123)) < 0) {perror("ftok");exit(1);}printf("key = 0x%x\n", key);//2.根据共享内存对应的key值 和内存大小size 得到共享内存的标识符int shmid;if ((shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT | 0666)) < 0) {perror("shmget");exit(1);}printf("shmid = %d\n", shmid);return 0;
}

3.绑定共享内存shmat

#include "head.h"int main() {//1.申请一块共享内存 将projectId与文件名字转换为 共享内存键值key_t key;if ((key = ftok("1.ftok.c", 123)) < 0) {perror("ftok");exit(1);}printf("key = 0x%x\n", key);//2.根据共享内存对应的key值 和内存大小size 得到共享内存的标识符int shmid;if ((shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT | 0666)) < 0) {perror("shmget");exit(1);}printf("shmid = %d\n", shmid);//3.将进程的动态内存空间和 共享内存空间关联void *shmemory = NULL;if ((shmemory = shmat(shmid, NULL, 0)) == (void*)-1) {perror("shmat");exit(1);}sleep(10);return 0;
}

4.绑定分离shmdt

#include "head.h"int main() {//1.申请一块共享内存 将projectId与文件名字转换为 共享内存键值key_t key;if ((key = ftok("1.ftok.c", 123)) < 0) {perror("ftok");exit(1);}printf("key = 0x%x\n", key);//2.根据共享内存对应的key值 和内存大小size 得到共享内存的标识符int shmid;if ((shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT | 0666)) < 0) {perror("shmget");exit(1);}printf("shmid = %d\n", shmid);//3.将进程的动态内存空间和 共享内存空间关联void *shmemory = NULL;if ((shmemory = shmat(shmid, NULL, 0)) == (void*)-1) {perror("shmat");exit(1);}//4.将进程的动态内存空间和 共享内存空间关联解除int flag;if ((flag = shmdt(shmemory)) < 0) {perror("shmdt");exit(1);}return 0;
}

5.控制共享内存shmctl

#include "head.h"int main() {//1.申请一块共享内存 将projectId与文件名字转换为 共享内存键值key_t key;if ((key = ftok("1.ftok.c", 123)) < 0) {perror("ftok");exit(1);}printf("key = 0x%x\n", key);//2.根据共享内存对应的key值 和内存大小size 得到共享内存的标识符int shmid;if ((shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT | 0666)) < 0) {perror("shmget");exit(1);}printf("shmid = %d\n", shmid);//3.将进程的动态内存空间和 共享内存空间关联void *shmemory = NULL;if ((shmemory = shmat(shmid, NULL, 0)) == (void*)-1) {perror("shmat");exit(1);}//4.将进程的动态内存空间和 共享内存空间关联解除int flag;if ((flag = shmdt(shmemory)) < 0) {perror("shmdt");exit(1);}//5.shmctl删除共享内存空间if ((flag = shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL)) < 0) {perror("shmctl");exit(1);}return 0;
}

三、亲缘进程间通信

1.共享内存写入与读取

#include "head.h"//共享内存综合运用
int main() {key_t key;int shmid;pid_t pid;char *shmemory = NULL;//1.开辟一块共享内存空间//(1)申请一块共享内存 将projectId与文件名字转换为 共享内存键值if ((key = ftok("1.ftok.c", 123)) < 0) {perror("ftok");exit(1);}//(2)根据共享内存对应的key值 和内存大小size 得到共享内存的标识符if ((shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT | 0666)) < 0) {perror("shmget");exit(1);}//(3)将进程的动态内存空间和 共享内存空间关联if ((shmemory = shmat(shmid, NULL, 0)) == (void *)-1) {perror("shmat");exit(1);}//2.创建子进程 进行运算操作if ((pid = fork()) < 0) {perror("fork");exit(1);}if (pid) {//父进程写入while(1) {printf("i am the father : \n");scanf("%[^\n]s", shmemory);//向共享内存中写入getchar();//吞掉回车否则不停循环sleep(2);}} else {//子进程读出while (1) {sleep(1);if (strlen(shmemory)) printf("i am the child : %s\n", shmemory);//如果共享内存空间中有数据才进行输出memset(shmemory, 0, 4096);//临时清空共享存储空间}}return 0;
}

2.共享内存解绑与删除

#include "head.h"//共享内存综合运用
int main() {key_t key;int shmid;pid_t pid;char *shmemory = NULL;//1.开辟一块共享内存空间//(1)申请一块共享内存 将projectId与文件名字转换为 共享内存键值if ((key = ftok("1.ftok.c", 123)) < 0) {perror("ftok");exit(1);}//(2)根据共享内存对应的key值 和内存大小size 得到共享内存的标识符if ((shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT | 0666)) < 0) {perror("shmget");exit(1);}//(3)将进程的动态内存空间和 共享内存空间关联if ((shmemory = shmat(shmid, NULL, 0)) == (void *)-1) {perror("shmat");exit(1);}//2.创建子进程 利用shmdt实现 一次读取一次读入操作if ((pid = fork()) < 0) {perror("fork");exit(1);}if (pid) {printf("i am the father : \n");scanf("%[^\n]s", shmemory);getchar();} else {sleep(5);if (strlen(shmemory)) printf("i am the child : %s\n", shmemory);memset(shmemory, 0, 4096);}//3.删除开辟的共享内存空间//(1)将进程的动态内存空间和 共享内存空间关联解除int flag;if ((flag = shmdt(shmemory)) < 0) {perror("shmdt");exit(1);}//(2)shmctl删除共享内存空间（父进程执行）if (pid) {wait(NULL);if ((flag = shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL)) < 0) {perror("shmctl");exit(1);}}sleep(5);return 0;
}

3.共享内存综合

• 利用共享内存实现多进程前n项数求和（利用共享内存实现）

#include "head.h"struct data {int now;//中间结果int sum;//求和结果
};void doSum(struct data *d, int max, int i) {while (1) {//计算的过程需要上锁if (d->now >= max) break;//判断 计算结果d->now++;d->sum += d->now;printf("<i am the %dth child> now = %d, sum = %d\n", i, d->now, d->sum);}
}int main(int argc, char *argv[]) {//1.命令行解析 a.out -i -n nint opt;int ins = 1, max = 100;// struct data d;// d.now = 0;// d.sum = 0;// setnum(&d);while ((opt = getopt(argc, argv, "i:n:")) != -1) {switch (opt) {case 'i':ins = atoi(optarg);break;case 'n':max = atoi(optarg);break;default:fprintf(stderr, "Usage : %s -i num1 -n num2", argv[0]);exit(1);}}//2.共享内存的创建于绑定key_t key;int shmid;struct data *shmemory = NULL;//2.1申请一块共享内存 将projectId与文件名字转换为 共享内存键值if ((key = ftok("5.shm_sum.c", 123)) == -1) {perror("ftok");exit(1);}//2.2根据共享内存对应的key值 和内存大小size 得到共享内存的标识符if ((shmid = shmget(key, sizeof(struct data), IPC_CREAT | 0600)) < 0) {perror("shmget");exit(1);}//2.3将进程的动态内存空间和 共享内存空间关联if ((shmemory = (struct data *)shmat(shmid, NULL, 0)) == (struct data *)-1) {perror("shmat");exit(1);}shmemory->now = 0;shmemory->sum = 0;//3.创建ins个子进程对文件进行doSum操作int i;pid_t pid;for (i = 0; i < ins; ++i) {if ((pid = fork()) < 0) {perror("fork()");exit(1);}if (pid == 0) break;}if (pid == 0) {doSum(shmemory, max, i);} else {for (int k = 0; k < ins; ++k) wait(NULL);printf("%d\n", shmemory->sum);}return 0;
}

成功输出结果，前100项求和的结果为5050，但是当使用程序求前10000项和时，却会出现问题如图结果为50007661（错误结果）。

出现问题的原因是：执行中的进程没有保障，进程之间发生竞争（同一时刻多个进程对内存进行读写操作，发生在多核处理器）

可以利用条件变量实现线程同步机制（进程同步），从而避免资源抢占竞争。

四、非亲缘进程间通信

共享内存实现多进程计算，

1. 单核不考虑同步关系，可以正常实现
2. 多核不考虑同步关系，无法正常实现
3. 需要设置同步关系
4. 利用条件变量实现进程同步

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非亲缘进程之间的通信，

1.通过sleep同步

• 使用共享内存实现两个非亲缘关系进程（1号进程、2号进程）进行通话
• 1号进程只输出2号进程在共享内存中输入的数据
• 2号进程只输出1号进程在共享内存中输入的数据
• 同步（通过sleep实现同步）

#include "head.h"struct SHM {int flag;//SHM能否读写int type;//第几个进程char mesg[50];//输入的信息
};int main(int argc, char *argv[]) {//1.命令行解析 ./a.out -t 1|2 -m messageint opt;int type;char mesg[50];struct SHM *temp;//用于临时存放准备写入共享内存的数据if (argc != 5) {fprintf(stderr, "Usage : %s -t 1|2 -m message\n", argv[0]);exit(1);}while ((opt = getopt(argc, argv, "t:m:")) != -1) {switch (opt) {case 't':type = atoi(optarg);break;case 'm':strcpy(mesg, optarg);break;default:fprintf(stderr, "Usage : %s -t 1|2 -m message\n", argv[0]);exit(1);}}/***存在问题*为什么直接在switch中使用 temp->type = atoi(optarg); 会出现segmentfault呢？*必须使用临时变量 int type; 来转接数据才不会报错？ */temp->type = type;strcpy(temp->mesg, mesg);//2.共享内存的创建与绑定key_t key;int shmid;struct SHM *shmemory = NULL;//2.1申请一块共享内存 将projectId与文件名字转换为 共享内存键值if ((key = ftok("1.shm_my.c", 123)) == -1) {perror("ftok");exit(1);}//2.2根据共享内存对应的key值 和内存大小size 得到共享内存的标识符if ((shmid = shmget(key, sizeof(struct SHM), IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0600)) < 0) {if (errno == EEXIST) {//处理重复创建共享内存空间if ((shmid = shmget(key, sizeof(struct SHM), 0600)) < 0) {perror("shmget1");exit(1);}printf("shmemory exist!");} else {perror("shmget2");exit(1);}}//2.3将进程的动态内存空间和 共享内存空间关联if ((shmemory = (struct SHM *)shmat(shmid, NULL, 0)) == (struct SHM *)-1) {perror("shmat");exit(1);}//3.实现非亲缘进程间通信shmemory->flag = 0;//初始状态为允许写入while (1) {if (!shmemory->flag) {printf("<Process%d> : i get shmemory\n", temp->type);sprintf(shmemory->mesg, "<Process%d> : <%s>", temp->type, temp->mesg);//向共享内存中写入内容shmemory->flag = 1;sleep(1);} else {printf("%s\n", shmemory->mesg);//从共享内存中读取 并输出内容shmemory->flag = 0;}}return 0;
}

2.通过条件变量同步

思考：如何通过条件变量以及互斥锁，通过共享内存空间实现多进程同步

• 一个进程1号进程，作为主要发送进程
• 多个进程，输出1号进程发送的数据
• 利用条件变量和互斥锁实现同步

#include "head.h"struct SHM {int type;//第几个进程char mesg[50];//输入的信息pthread_mutex_t mutex;//互斥锁pthread_cond_t cond;//条件变量
};int main(int argc, char *argv[]) {//1.命令行解析 ./a.out -t 1|2int opt;int type;if (argc != 3) {fprintf(stderr, "Usage : %s -t 1|2\n", argv[0]);exit(1);}while ((opt = getopt(argc, argv, "t:")) != -1) {switch (opt) {case 't':type = atoi(optarg);break;default:fprintf(stderr, "Usage : %s -t 1|2\n", argv[0]);exit(1);}}//2.共享内存的创建与绑定key_t key;int shmid;struct SHM *shmemory = NULL;//2.1申请一块共享内存 将projectId与文件名字转换为 共享内存键值if ((key = ftok("2.shm_cond.c", 123)) == -1) {perror("ftok");exit(1);}//2.2根据共享内存对应的key值 和内存大小size 得到共享内存的标识符if ((shmid = shmget(key, sizeof(struct SHM), IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0600)) < 0) {if (errno == EEXIST) {//处理重复创建共享内存空间if ((shmid = shmget(key, sizeof(struct SHM), 0600)) < 0) {perror("shmget1");exit(1);}printf("shmemory exist!\n");} else {perror("shmget2");exit(1);}}//2.3将进程的动态内存空间和 共享内存空间关联if ((shmemory = (struct SHM *)shmat(shmid, NULL, 0)) == (struct SHM *)-1) {perror("shmat");exit(1);}//3.实现非亲缘进程间通信if (type == 1) {//让1号进程初始化互斥锁和信号量 并设为共享pthread_mutexattr_t mutex;pthread_condattr_t cond;pthread_mutexattr_init(&mutex);pthread_condattr_init(&cond);pthread_mutexattr_setpshared(&mutex, 1);//设置为共享pthread_condattr_setpshared(&cond, 1);//设置为共享pthread_mutex_init(&shmemory->mutex, &mutex);//初始化锁pthread_cond_init(&shmemory->cond, &cond);//初始化条件}if (type == 1) {while (1) {printf("ok\n");scanf("%[^\n]s", shmemory->mesg); getchar();if (strlen(shmemory->mesg)) pthread_cond_signal(&shmemory->cond);//1号进程写入后通知其他进程}} else {while (1) {pthread_mutex_lock(&shmemory->mutex);//一旦有某个进程拿到了共享内存 则将共享内存上锁pthread_cond_wait(&shmemory->cond, &shmemory->mutex);//共享内存上锁后 等待1号进程写入完成的通知//if (strlen(shmemory->mesg)) printf("<Process%d> : %s\n", type, shmemory->mesg);//将共享内存中写入的数据输出memset(shmemory->mesg, 0, strlen(shmemory->mesg));//清空共享内存pthread_mutex_unlock(&shmemory->mutex);}}return 0;
}