Linux下進(jìn)程間如何實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存通信

這次我們來講一下Linux進(jìn)程通信中重要的通信方式：共享內(nèi)存作為Linux軟件開發(fā)攻城獅，進(jìn)程間通信是必須熟練掌握的重要技能，而共享內(nèi)存是在程序開發(fā)中常用的也是重要的一種進(jìn)程間通信方式。

下面我們就來聊一聊Linux下進(jìn)程間如何實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存通信，有哪些方式？

1、基本概念

UNIX 和 Linux

UNIX和Linux是兩種不同的操作系統(tǒng)，它們的主要區(qū)別在以下幾個方面：

• 歷史：UNIX是最早的商業(yè)化操作系統(tǒng)之一，最初由貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，而Linux則是由Linus Torvalds于1991年開發(fā)的開源操作系統(tǒng)。
• 源代碼：UNIX的源代碼是私有的，需要購買授權(quán)才能使用和修改，而Linux是開源的，任何人都可以自由地訪問、使用和修改其源代碼。
• 可移植性：由于UNIX的代碼是私有的，因此它們在不同的硬件平臺之間的可移植性較差。 而Linux的源代碼是開放的，因此它可以在多種硬件平臺上運(yùn)行。
• 發(fā)行版：UNIX有多個商業(yè)和非商業(yè)版本，如Solaris、AIX、HP-UX等，每個版本都有自己的特點(diǎn)和功能。 而Linux則有許多不同的發(fā)行版，如Ubuntu、Debian、Red Hat、Fedora等。
• 命令行工具：UNIX和Linux有許多相同的命令行工具和命令，如ls、grep、awk等，但也有一些不同之處。

總的來說，UNIX和Linux都是基于UNIX哲學(xué)的操作系統(tǒng)，但它們在源代碼、可移植性、發(fā)行版和命令行工具等方面有所不同。

System V 和 POSIX

System V和POSIX是兩種不同的操作系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，它們的區(qū)別在以下幾個方面：

• 歷史背景：System V最初是由AT&T開發(fā)的UNIX版本，而POSIX是IEEE為了保證不同UNIX系統(tǒng)的兼容性而開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)。
• 體系結(jié)構(gòu)：System V是一種具體的操作系統(tǒng)，而POSIX則是一種操作系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)。 因此，System V具有更多的操作系統(tǒng)特定功能，而POSIX的接口更為通用，適用于多種不同類型的UNIX系統(tǒng)。
• 文件系統(tǒng)：System V和POSIX的文件系統(tǒng)不同。 System V使用名為“inode”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來描述文件和目錄，而POSIX則使用名為“文件描述符”的整數(shù)來表示打開的文件。
• Shell：System V和POSIX的Shell也不同。 System V的Shell是Bourne Shell，而POSIX的Shell是Bourne-Again Shell（bash）。
• 網(wǎng)絡(luò)支持：System V和POSIX的網(wǎng)絡(luò)支持也不同。 System V使用TCP/IP協(xié)議棧，而POSIX使用套接字（socket）接口。

2、System V IPC 和 POSIX IPC

System V IPC（Interprocess Communication）和POSIX IPC都是用于在不同進(jìn)程間進(jìn)行通信的機(jī)制，但它們之間有幾個區(qū)別：

• 編程接口：System V IPC和POSIX IPC的編程接口不同。 System V IPC使用IPC對象（如信號量、共享內(nèi)存和消息隊(duì)列）來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信，而POSIX IPC使用命名對象（如命名信號量、命名共享內(nèi)存和命名管道）。
• 可移植性：POSIX IPC是由IEEE POSIX標(biāo)準(zhǔn)定義的，因此POSIX IPC是可移植的，可在不同的操作系統(tǒng)上使用。 而System V IPC是由System V操作系統(tǒng)提供的，因此不同的操作系統(tǒng)可能實(shí)現(xiàn)不同，因此在跨平臺時可能會有問題。
• 接口和實(shí)現(xiàn)：System V IPC的接口和實(shí)現(xiàn)是緊密耦合的，而POSIX IPC的接口和實(shí)現(xiàn)是松散耦合的。 這意味著在POSIX IPC中，接口和實(shí)現(xiàn)是獨(dú)立的，因此可以在實(shí)現(xiàn)中進(jìn)行更改，而不影響接口，這使得在不同的系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)相同的接口變得更容易。
• 特性：System V IPC提供的特性比POSIX IPC多，例如，System V IPC提供了消息隊(duì)列，而POSIX IPC則沒有。 另一方面，POSIX IPC提供了諸如命名管道之類的特性，而System V IPC則沒有。

綜上所述，System V IPC和POSIX IPC都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。 在選擇使用哪種IPC機(jī)制時，需要根據(jù)具體應(yīng)用場景和需求進(jìn)行權(quán)衡。

3、共享內(nèi)存實(shí)現(xiàn)方式

在Linux下，共享內(nèi)存可以使用System V IPC機(jī)制或POSIX IPC機(jī)制實(shí)現(xiàn)。

• 使用System V IPC機(jī)制：

使用shmget()函數(shù)創(chuàng)建共享內(nèi)存區(qū)域并獲取其標(biāo)識符。 使用shmat()函數(shù)將共享內(nèi)存區(qū)域附加到進(jìn)程地址空間中。 使用shmdt()函數(shù)將共享內(nèi)存區(qū)域從進(jìn)程地址空間中分離。 使用shmctl()函數(shù)控制共享內(nèi)存區(qū)域的屬性和狀態(tài)。

• 使用POSIX IPC機(jī)制：

使用shm_open()函數(shù)創(chuàng)建共享內(nèi)存區(qū)域并獲取其文件描述符。 使用ftruncate()函數(shù)調(diào)整共享內(nèi)存區(qū)域的大小。 使用mmap()函數(shù)將共享內(nèi)存區(qū)域映射到進(jìn)程地址空間中。 使用munmap()函數(shù)解除共享內(nèi)存區(qū)域與進(jìn)程地址空間的映射關(guān)系。 使用shm_unlink()函數(shù)刪除共享內(nèi)存區(qū)域的文件名并釋放資源。

System V IPC機(jī)制實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存

以下是一個使用System V IPC機(jī)制實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存的簡單例程，它展示了如何創(chuàng)建、附加和分離共享內(nèi)存區(qū)域。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define SHM_SIZE 1024 // 共享內(nèi)存大小

int main() {
    int shmid;
    char *shmaddr;
    char s8ReadBuf[1024] = {0};
    key_t key = ftok(".", 's'); // 獲取共享內(nèi)存標(biāo)識符

    if (key == -1) {
        perror("ftok");
        exit(1);
    }

    // 創(chuàng)建共享內(nèi)存區(qū)域
    shmid = shmget(key, SHM_SIZE, IPC_CREAT | 0666);
    if (shmid == -1) {
        perror("shmget");
        exit(1);
    }

    // 將共享內(nèi)存區(qū)域附加到進(jìn)程地址空間中
    shmaddr = shmat(shmid, NULL, 0);
    if (shmaddr == (char *) -1) {
        perror("shmat");
        exit(1);
    }

#if 1
    // 在共享內(nèi)存中寫入數(shù)據(jù)
    strncpy(shmaddr, "Hello, world!", SHM_SIZE);
#else
    // 讀數(shù)據(jù)
    // memcpy(s8ReadBuf, shmaddr, 1024);
    // printf("s8ReadBuf:%s\\n", s8ReadBuf);
#endif

    // 分離共享內(nèi)存區(qū)域
    if (shmdt(shmaddr) == -1) {
        perror("shmdt");
        exit(1);
    }

    return 0;
}

在上面的例程中，我們首先使用ftok()函數(shù)生成一個key值作為共享內(nèi)存的標(biāo)識符。 然后使用shmget()函數(shù)創(chuàng)建共享內(nèi)存區(qū)域，shmaddr指向共享內(nèi)存區(qū)域的起始地址。 最后使用shmdt()函數(shù)分離共享內(nèi)存區(qū)域。

POSIX IPC機(jī)制實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存

以下是一個使用POSIX IPC機(jī)制實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存的簡單例程，它展示了如何創(chuàng)建、映射和解除映射共享內(nèi)存區(qū)域。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define SHM_SIZE 1024 // 共享內(nèi)存大小
#define SHM_NAME "/myshm" // 共享內(nèi)存名稱

int main() {
    int fd;
    char *shmaddr;
    char s8ReadBuf[1024] = {0};
    const char *msg = "Hello, world!";

    // 創(chuàng)建共享內(nèi)存區(qū)域
    fd = shm_open(SHM_NAME, O_CREAT | O_RDWR, 0666);
    if (fd == -1) {
        perror("shm_open");
        exit(1);
    }

    // 調(diào)整共享內(nèi)存區(qū)域的大小
    if (ftruncate(fd, SHM_SIZE) == -1) {
        perror("ftruncate");
        exit(1);
    }

    // 映射共享內(nèi)存區(qū)域到進(jìn)程地址空間中
    shmaddr = mmap(NULL, SHM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (shmaddr == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        exit(1);
    }

#if 1
    // 在共享內(nèi)存中寫入數(shù)據(jù)
    strncpy(shmaddr, msg, SHM_SIZE);
#else
    // 讀數(shù)據(jù)
    // memcpy(s8ReadBuf, shmaddr, 1024);
    // printf("s8ReadBuf:%s\\n", s8ReadBuf);
#endif
    // 解除共享內(nèi)存區(qū)域與進(jìn)程地址空間的映射關(guān)系
    if (munmap(shmaddr, SHM_SIZE) == -1) {
        perror("munmap");
        exit(1);
    }

    // 刪除共享內(nèi)存區(qū)域的文件名并釋放資源
    if (shm_unlink(SHM_NAME) == -1) {
        perror("shm_unlink");
        exit(1);
    }

    return 0;
}

在上面的例程中，我們使用shm_open()函數(shù)創(chuàng)建一個共享內(nèi)存區(qū)域，然后使用ftruncate()函數(shù)調(diào)整共享內(nèi)存區(qū)域的大小。 接著，我們使用mmap()函數(shù)將共享內(nèi)存區(qū)域映射到進(jìn)程地址空間中，并使用strncpy()函數(shù)在共享內(nèi)存中寫入數(shù)據(jù)。 最后，我們使用munmap()函數(shù)解除共享內(nèi)存區(qū)域與進(jìn)程地址空間的映射關(guān)系，并使用shm_unlink()函數(shù)刪除共享內(nèi)存區(qū)域的文件名并釋放資源。

小結(jié)

通過上面的示例希望對小伙伴們在共享內(nèi)存通信編程中有所幫助，學(xué)會如何使用共享內(nèi)存通信，并靈活運(yùn)用于日常的編程中。 共享內(nèi)存方式的通信必須熟練掌握與應(yīng)用。