Linux环境进程间通讯(五): 共享内存(上)

linux下进程间通讯的几种主要手段：

1. 管道（Pipe）及有名管道（named pipe）：管道可用于具备亲缘关系进程间的通讯，有名管道克服了管道没有名字的限制，所以，除具备管道所具备的功能外，它还容许无亲缘关系进程间的通讯； 
2. 信号（Signal）：信号是比较复杂的通讯方式，用于通知接受进程有某种事件发生，除了用于进程间通讯外，进程还能够发送信号给进程自己；linux除了支持Unix早期信号语义函数sigal外，还支持语义符合Posix.1标准的信号函数sigaction（实际上，该函数是基于BSD的，BSD为了实现可靠信号机制，又可以统一对外接口，用sigaction函数从新实现了signal函数）； 
3. 报文（Message）队列（消息队列）：消息队列是消息的连接表，包括Posix消息队列system V消息队列。有足够权限的进程能够向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则能够读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。 
4. 共享内存：使得多个进程能够访问同一块内存空间，是最快的可用IPC形式。是针对其余通讯机制运行效率较低而设计的。每每与其它通讯机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。 
5. 信号量（semaphore）：主要做为进程间以及同一进程不一样线程之间的同步手段。 
6. 套接口（Socket）：更为通常的进程间通讯机制，可用于不一样机器之间的进程间通讯。起初是由Unix系统的BSD分支开发出来的，但如今通常能够移植到其它类Unix系统上：Linux和System V的变种都支持套接字。 

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本文讲述进程间通讯方法——共享内存

原文：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-ipc/part5/index1.html

采用共享内存通讯的一个显而易见的好处是效率高，由于进程能够直接读写内存，而不须要任何数据的拷贝。对于像管道和消息队列等通讯方式，则须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[1]：一次从输入文件到共享内存区，另外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，并不老是读写少许数据后就解除映射，有新的通讯时，再从新创建共享内存区域。而是保持共享区域，直到通讯完毕为止，这样，数据内容一直保存在共享内存中，并无写回文件。共享内存中的内容每每是在解除映射时才写回文件的。所以，采用共享内存的通讯方式效率是很是高的。

Linux的2.2.x内核支持多种共享内存方式，如mmap()系统调用，Posix共享内存，以及系统V共享内存。linux发行版本如Redhat 8.0支持mmap()系统调用及系统V共享内存，但还没实现Posix共享内存，本文将主要介绍mmap()系统调用及系统V共享内存API的原理及应用。

1、内核怎样保证各个进程寻址到同一个共享内存区域的内存页面

一、page cache及swap cache中页面的区分：一个被访问文件的物理页面都驻留在page cache或swap cache中，一个页面的全部信息由struct page来描述。struct page中有一个域为指针mapping ，它指向一个struct address_space类型结构。page cache或swap cache中的全部页面就是根据address_space结构以及一个偏移量来区分的。

二、文件与address_space结构的对应：一个具体的文件在打开后，内核会在内存中为之创建一个struct inode结构，其中的i_mapping域指向一个address_space结构。这样，一个文件就对应一个address_space结构，一个address_space与一个偏移量可以肯定一个page cache 或swap cache中的一个页面。所以，当要寻址某个数据时，很容易根据给定的文件及数据在文件内的偏移量而找到相应的页面。

三、进程调用mmap()时，只是在进程空间内新增了一块相应大小的缓冲区，并设置了相应的访问标识，但并无创建进程空间到物理页面的映射。所以，第一次访问该空间时，会引起一个缺页异常。

四、对于共享内存映射状况，缺页异常处理程序首先在swap cache中寻找目标页（符合address_space以及偏移量的物理页），若是找到，则直接返回地址；若是没有找到，则判断该页是否在交换区(swap area)，若是在，则执行一个换入操做；若是上述两种状况都不知足，处理程序将分配新的物理页面，并把它插入到page cache中。进程最终将更新进程页表。 
注：对于映射普通文件状况（非共享映射），缺页异常处理程序首先会在page cache中根据address_space以及数据偏移量寻找相应的页面。若是没有找到，则说明文件数据尚未读入内存，处理程序会从磁盘读入相应的页面，并返回相应地址，同时，进程页表也会更新。

五、全部进程在映射同一个共享内存区域时，状况都同样，在创建线性地址与物理地址之间的映射以后，不论进程各自的返回地址如何，实际访问的必然是同一个共享内存区域对应的物理页面。 
注：一个共享内存区域能够看做是特殊文件系统shm中的一个文件，shm的安装点在交换区上。

上面涉及到了一些数据结构，围绕数据结构理解问题会容易一些。

2、mmap()及其相关系统调用

mmap()系统调用使得进程之间经过映射同一个普通文件实现共享内存。普通文件被映射到进程地址空间后，进程能够向访问普通内存同样对文件进行访问，没必要再调用read()，write（）等操做。

注：实际上，mmap()系统调用并非彻底为了用于共享内存而设计的。它自己提供了不一样于通常对普通文件的访问方式，进程能够像读写内存同样对普通文件的操做。而Posix或系统V的共享内存IPC则纯粹用于共享目的，固然mmap()实现共享内存也是其主要应用之一。

一、mmap()系统调用形式以下：

void* mmap ( void * addr , size_t len , int prot , int flags , int fd , off_t offset ) 
参数fd为即将映射到进程空间的文件描述字，通常由open()返回，同时，fd能够指定为-1，此时须指定flags参数中的MAP_ANON，代表进行的是匿名映射（不涉及具体的文件名，避免了文件的建立及打开，很显然只能用于具备亲缘关系的进程间通讯）。len是映射到调用进程地址空间的字节数，它从被映射文件开头offset个字节开始算起。prot 参数指定共享内存的访问权限。可取以下几个值的或：PROT_READ（可读） , PROT_WRITE （可写）, PROT_EXEC （可执行）, PROT_NONE（不可访问）。flags由如下几个常值指定：MAP_SHARED , MAP_PRIVATE , MAP_FIXED，其中，MAP_SHARED , MAP_PRIVATE必选其一，而MAP_FIXED则不推荐使用。offset参数通常设为0，表示从文件头开始映射。参数addr指定文件应被映射到进程空间的起始地址，通常被指定一个空指针，此时选择起始地址的任务留给内核来完成。函数的返回值为最后文件映射到进程空间的地址，进程可直接操做起始地址为该值的有效地址。这里再也不详细介绍mmap()的参数，读者可参考mmap()手册页得到进一步的信息。

二、系统调用mmap()用于共享内存的两种方式：

（1）使用普通文件提供的内存映射：适用于任何进程之间； 此时，须要打开或建立一个文件，而后再调用mmap()；典型调用代码以下：

	fd=open(name, flag, mode);
if(fd<0)
	...

ptr=mmap(NULL, len , PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED , fd , 0); 经过mmap()实现共享内存的通讯方式有许多特色和要注意的地方，咱们将在范例中进行具体说明。

（2）使用特殊文件提供匿名内存映射：适用于具备亲缘关系的进程之间； 因为父子进程特殊的亲缘关系，在父进程中先调用mmap()，而后调用fork()。那么在调用fork()以后，子进程继承父进程匿名映射后的地址空间，一样也继承mmap()返回的地址，这样，父子进程就能够经过映射区域进行通讯了。注意，这里不是通常的继承关系。通常来讲，子进程单独维护从父进程继承下来的一些变量。而mmap()返回的地址，却由父子进程共同维护。 
对于具备亲缘关系的进程实现共享内存最好的方式应该是采用匿名内存映射的方式。此时，没必要指定具体的文件，只要设置相应的标志便可，参见范例2。

三、系统调用munmap()

int munmap( void * addr, size_t len ) 
该调用在进程地址空间中解除一个映射关系，addr是调用mmap()时返回的地址，len是映射区的大小。当映射关系解除后，对原来映射地址的访问将致使段错误发生。

四、系统调用msync()

int msync ( void * addr , size_t len, int flags) 
通常说来，进程在映射空间的对共享内容的改变并不直接写回到磁盘文件中，每每在调用munmap（）后才执行该操做。能够经过调用msync()实现磁盘上文件内容与共享内存区的内容一致。

3、mmap()范例

下面将给出使用mmap()的两个范例：范例1给出两个进程经过映射普通文件实现共享内存通讯；范例2给出父子进程经过匿名映射实现共享内存。系统调用mmap()有许多有趣的地方，下面是经过mmap（）映射普通文件实现进程间的通讯的范例，咱们经过该范例来讲明mmap()实现共享内存的特色及注意事项。

范例1：两个进程经过映射普通文件实现共享内存通讯

范例1包含两个子程序：map_normalfile1.c及map_normalfile2.c。编译两个程序，可执行文件分别为map_normalfile1及map_normalfile2。两个程序经过命令行参数指定同一个文件来实现共享内存方式的进程间通讯。map_normalfile2试图打开命令行参数指定的一个普通文件，把该文件映射到进程的地址空间，并对映射后的地址空间进行写操做。map_normalfile1把命令行参数指定的文件映射到进程地址空间，而后对映射后的地址空间执行读操做。这样，两个进程经过命令行参数指定同一个文件来实现共享内存方式的进程间通讯。

下面是两个程序代码：

/*-------------map_normalfile1.c-----------*/
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
typedef struct{
  char name[4];
  int  age;
}people;
main(int argc, char** argv) // map a normal file as shared mem:
{
  int fd,i;
  people *p_map;
  char temp;
  
  fd=open(argv[1],O_CREAT|O_RDWR|O_TRUNC,00777);
  lseek(fd,sizeof(people)*5-1,SEEK_SET);
  write(fd,"",1);
  
  p_map = (people*) mmap( NULL,sizeof(people)*10,PROT_READ|PROT_WRITE,
        MAP_SHARED,fd,0 );
  close( fd );
  temp = 'a';
  for(i=0; i<10; i++)
  {
    temp += 1;
    memcpy( ( *(p_map+i) ).name, &temp,2 );
    ( *(p_map+i) ).age = 20+i;
  }
  printf(" initialize over \n ")；
  sleep(10);
  munmap( p_map, sizeof(people)*10 );
  printf( "umap ok \n" );
}
/*-------------map_normalfile2.c-----------*/
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
typedef struct{
  char name[4];
  int  age;
}people;
main(int argc, char** argv)  // map a normal file as shared mem:
{
  int fd,i;
  people *p_map;
  fd=open( argv[1],O_CREAT|O_RDWR,00777 );
  p_map = (people*)mmap(NULL,sizeof(people)*10,PROT_READ|PROT_WRITE,
       MAP_SHARED,fd,0);
  for(i = 0;i<10;i++)
  {
  printf( "name: %s age %d;\n",(*(p_map+i)).name, (*(p_map+i)).age );
  }
  munmap( p_map,sizeof(people)*10 );
}

map_normalfile1.c首先定义了一个people数据结构，（在这里采用数据结构的方式是由于，共享内存区的数据每每是有固定格式的，这由通讯的各个进程决定，采用结构的方式有广泛表明性）。map_normfile1首先打开或建立一个文件，并把文件的长度设置为5个people结构大小。而后从mmap()的返回地址开始，设置了10个people结构。而后，进程睡眠10秒钟，等待其余进程映射同一个文件，最后解除映射。

map_normfile2.c只是简单的映射一个文件，并以people数据结构的格式从mmap()返回的地址处读取10个people结构，并输出读取的值，而后解除映射。

分别把两个程序编译成可执行文件map_normalfile1和map_normalfile2后，在一个终端上先运行./map_normalfile2 /tmp/test_shm，程序输出结果以下：

initialize over
umap ok

在map_normalfile1输出initialize over 以后，输出umap ok以前，在另外一个终端上运行map_normalfile2 /tmp/test_shm，将会产生以下输出(为了节省空间，输出结果为稍做整理后的结果)：

name: b	age 20;	name: c	age 21;	name: d	age 22;	name: e	age 23;	name: f	age 24;
name: g	age 25;	name: h	age 26;	name: I	age 27;	name: j	age 28;	name: k	age 29;

在map_normalfile1 输出umap ok后，运行map_normalfile2则输出以下结果：

name: b	age 20;	name: c	age 21;	name: d	age 22;	name: e	age 23;	name: f	age 24;
name:	age 0;	name:	age 0;	name:	age 0;	name:	age 0;	name:	age 0;

从程序的运行结果中能够得出的结论

一、 最终被映射文件的内容的长度不会超过文件自己的初始大小，即映射不能改变文件的大小；

二、 能够用于进程通讯的有效地址空间大小大致上受限于被映射文件的大小，但不彻底受限于文件大小。打开文件被截短为5个people结构大小，而在map_normalfile1中初始化了10个people数据结构，在恰当时候（map_normalfile1输出initialize over 以后，输出umap ok以前）调用map_normalfile2会发现map_normalfile2将输出所有10个people结构的值，后面将给出详细讨论。 
注：在linux中，内存的保护是以页为基本单位的，即便被映射文件只有一个字节大小，内核也会为映射分配一个页面大小的内存。当被映射文件小于一个页面大小时，进程能够对从mmap()返回地址开始的一个页面大小进行访问，而不会出错；可是，若是对一个页面之外的地址空间进行访问，则致使错误发生，后面将进一步描述。所以，可用于进程间通讯的有效地址空间大小不会超过文件大小及一个页面大小的和。

三、 文件一旦被映射后，调用mmap()的进程对返回地址的访问是对某一内存区域的访问，暂时脱离了磁盘上文件的影响。全部对mmap()返回地址空间的操做只在内存中有意义，只有在调用了munmap()后或者msync()时，才把内存中的相应内容写回磁盘文件，所写内容仍然不能超过文件的大小。

范例2：父子进程经过匿名映射实现共享内存

#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
typedef struct{
  char name[4];
  int  age;
}people;
main(int argc, char** argv)
{
  int i;
  people *p_map;
  char temp;
  p_map=(people*)mmap(NULL,sizeof(people)*10,PROT_READ|PROT_WRITE,
       MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS,-1,0);
  if(fork() == 0)
  {
    sleep(2);
    for(i = 0;i<5;i++)
      printf("child read: the %d people's age is %d\n",i+1,(*(p_map+i)).age);
    (*p_map).age = 100;
    munmap(p_map,sizeof(people)*10); //实际上，进程终止时，会自动解除映射。
    exit();
  }
  temp = 'a';
  for(i = 0;i<5;i++)
  {
    temp += 1;
    memcpy((*(p_map+i)).name, &temp,2);
    (*(p_map+i)).age=20+i;
  }
  sleep(5);
  printf( "parent read: the first people,s age is %d\n",(*p_map).age );
  printf("umap\n");
  munmap( p_map,sizeof(people)*10 );
  printf( "umap ok\n" );
}

考察程序的输出结果，体会父子进程匿名共享内存：

child read: the 1 people's age is 20
child read: the 2 people's age is 21
child read: the 3 people's age is 22
child read: the 4 people's age is 23
child read: the 5 people's age is 24
parent read: the first people,s age is 100
umap
umap ok

4、对mmap()返回地址的访问

前面对范例运行结构的讨论中已经提到，linux采用的是页式管理机制。对于用mmap()映射普通文件来讲，进程会在本身的地址空间新增一块空间，空间大小由mmap()的len参数指定，注意，进程并不必定可以对所有新增空间都能进行有效访问。进程可以访问的有效地址大小取决于文件被映射部分的大小。简单的说，可以容纳文件被映射部分大小的最少页面个数决定了进程从mmap()返回的地址开始，可以有效访问的地址空间大小。超过这个空间大小，内核会根据超过的严重程度返回发送不一样的信号给进程。可用以下图示说明：

注意：文件被映射部分而不是整个文件决定了进程可以访问的空间大小，另外，若是指定文件的偏移部分，必定要注意为页面大小的整数倍。下面是对进程映射地址空间的访问范例：

#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
typedef struct{
	char name[4];
	int  age;
}people;
main(int argc, char** argv)
{
	int fd,i;
	int pagesize,offset;
	people *p_map;
	
	pagesize = sysconf(_SC_PAGESIZE);
	printf("pagesize is %d\n",pagesize);
	fd = open(argv[1],O_CREAT|O_RDWR|O_TRUNC,00777);
	lseek(fd,pagesize*2-100,SEEK_SET);
	write(fd,"",1);
	offset = 0;	//此处offset = 0编译成版本1；offset = pagesize编译成版本2
	p_map = (people*)mmap(NULL,pagesize*3,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,offset);
	close(fd);
	
	for(i = 1; i<10; i++)
	{
		(*(p_map+pagesize/sizeof(people)*i-2)).age = 100;
		printf("access page %d over\n",i);
		(*(p_map+pagesize/sizeof(people)*i-1)).age = 100;
		printf("access page %d edge over, now begin to access page %d\n",i, i+1);
		(*(p_map+pagesize/sizeof(people)*i)).age = 100;
		printf("access page %d over\n",i+1);
	}
	munmap(p_map,sizeof(people)*10);
}

如程序中所注释的那样，把程序编译成两个版本，两个版本主要体如今文件被映射部分的大小不一样。文件的大小介于一个页面与两个页面之间（大小为：pagesize*2-99），版本1的被映射部分是整个文件，版本2的文件被映射部分是文件大小减去一个页面后的剩余部分，不到一个页面大小(大小为：pagesize-99)。程序中试图访问每个页面边界，两个版本都试图在进程空间中映射pagesize*3的字节数。

版本1的输出结果以下：

pagesize is 4096
access page 1 over
access page 1 edge over, now begin to access page 2
access page 2 over
access page 2 over
access page 2 edge over, now begin to access page 3
Bus error		//被映射文件在进程空间中覆盖了两个页面，此时，进程试图访问第三个页面

版本2的输出结果以下：

pagesize is 4096
access page 1 over
access page 1 edge over, now begin to access page 2
Bus error		//被映射文件在进程空间中覆盖了一个页面，此时，进程试图访问第二个页面

结论：采用系统调用mmap()实现进程间通讯是很方便的，在应用层上接口很是简洁。内部实现机制区涉及到了linux存储管理以及文件系统等方面的内容，能够参考一下相关重要数据结构来加深理解。在本专题的后面部分，将介绍系统v共享内存的实现。