共享内存
共享内存可以说是最有用的进程间通信方式，也是最快的IPC形式。两个不同进程A、B共享内存的意思是，同一块物理内存被映射到进程A、B各自的进程地址空间。进程A可以即时看到进程B对共享内存中数据的更新，反之亦然。由于多个进程共享同一块内存区域，必然需要某种同步机制，互斥锁和信号量都可以。
采用共享内存通信的一个显而易见的好处是效率高，因为进程可以直接读写内存，而不需要任何数据的拷贝。对于像管道和消息队列等通信方式，则需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，并不总是读写少量数据后就解除映射，有新的通信时，再重新建立共享内存区域。而是保持共享区域，直到通信完毕为止，这样，数据内容一直保存在共享内存中，并没有写回文件。共享内存中的内容往往是在解除映射时才写回文件的。因此，采用共享内存的通信方式效率是非常高的。
默认情况下通过fork派生的子进程并不与父进程共享内存区。通过一个程序来验证，程序功能是让父子进程都给一个名为count的全局变量加1操作，程序如下：
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <sys/types.h>
5 #include <semaphore.h>
6 #include <fcntl.h>
7
8 #define SEM_NAME "mysem"
9 #define FILE_MODE (S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH)
10 int count = 0;
11
12 int main(int argc,char* argv[])
13 {
14 int i,nloop;
15 sem_t *mutex;
16 if(argc != 2)
17 {
18 printf("usage: incrl <#loops>");
19 exit(0);
20 }
21 nloop = atoi(argv[1]);
22 //创建有名信号量
23 mutex = sem_open(SEM_NAME,O_RDWR|O_CREAT|O_EXCL,FILE_MODE,1);
24 sem_unlink(SEM_NAME);
25 //将stdout设置为非缓冲的
26 setbuf(stdout,NULL);
27 //子进程开始执行增加1
28 if(fork() == 0)
29 {
30 for(i = 0;i<nloop;++i)
31 {
32 sem_wait(mutex);
33 printf("child: %d\n",count++);
34 sem_post(mutex);
35 }
36 exit(0);
37 }
38 //父进程执行增加1操作
39 for(i = 0;i<nloop;++i)
40 {
41 sem_wait(mutex);
42 printf("parent: %d\n",count++);
43 sem_post(mutex);
44 }
45 //等待子进程退出
46 wait(NULL);
47 exit(0);
48 }
程序执行结果如下所示：
从结果可以看出父子进程都有各自的全局变量count的副本，每个进程都从该变量为0的初始值开始的，每次增加的对象是各自的变量的副本。
共享内存操作函数：
1、系统调用mmap()
void* mmap ( void * addr , size_t len , int prot , int flags , int fd , off_t offset )
mamap函数把一个文件或一个Posix共享内存区对象映射到调用进程的地址空间。参数fd为即将映射到进程空间的文件描述字，一般由open()返回，同时，fd可以指定为-1，此时须指定flags参数中的MAP_ANON，表明进行的是匿名映射（不涉及具体的文件名，避免了文件的创建及打开，很显然只能用于具有亲缘关系的进程间通信）。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。可取如下几个值的或：PROT_READ（可读） , PROT_WRITE （可写）, PROT_EXEC （可执行）, PROT_NONE（不可访问）。flags由以下几个常值指定：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参数一般设为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，一般被指定一个空指针，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，进程可直接操作起始地址为该值的有效地址。
2、系统调用munmap()
int munmap( void * addr, size_t len )
munmap函数从某个进程的地址空间中删除一个映射关系。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导致段错误发生。
3、系统调用msync()
int msync ( void * addr , size_t len, int flags)
一般说来，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，往往在调用munmap（）后才执行该操作。可以通过调用msync()实现磁盘上文件内容与共享内存区的内容一致。
现使用共享内存实现在内存映射文件中个计数器持续加1，程序如下所示：
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <sys/types.h>
5 #include <semaphore.h>
6 #include <fcntl.h>
7 #include <sys/mman.h>
8 #include <errno.h>
9
10 #define SEM_NAME "mysem"
11 #define FILE_MODE (S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH)
12
13 int main(int argc,char* argv[])
14 {
15 int fd,i,nloop,zero = 0;
16 int *ptr;
17 sem_t *mutex;
18 if(argc != 3)
19 {
20 printf("usage: incrl <#loops>");
21 exit(0);
22 }
23 nloop = atoi(argv[2]);
24 //打开文件
25 fd = open(argv[1],O_RDWR|O_CREAT,FILE_MODE);
26 //向文件中写入0值
27 write(fd,&zero,sizeof(int));
28 //将文件映射到进程地址空间，返回被映射区的起始地址
29 ptr = mmap(NULL,sizeof(int),PROT_READ| PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
30 if(ptr == MAP_FAILED)
31 {
32 perror("mmap() error");
33 exit(0);
34 }
35 close(fd);
36 mutex = sem_open(SEM_NAME,O_RDWR|O_CREAT|O_EXCL,FILE_MODE,1);
37 sem_unlink(SEM_NAME);
38 setbuf(stdout,NULL);
39 if(fork() == 0)
40 {
41 for(i = -0;i<nloop;++i)
42 {
43 sem_wait(mutex);
44 printf("child: %d\n",(*ptr)++);
45 sem_post(mutex);
46 }
47 exit(0);
48 }
49 for(i = 0;i<nloop;++i)
50 {
51 sem_wait(mutex);
52 printf("parent: %d\n",(*ptr)++);
53 sem_post(mutex);
54 }
55 wait(NULL);
56 exit(0);
57 }
程序执行结果如下所示：
从结果可以看出父子进程共享内存区。可以将这个程序改成使用[osix基于内存的信号量，而不是一个Posix有名信号量，并把该信号量存放在共享内存中。程序如下所示：
1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3 #include <unistd.h>
4 #include <sys/types.h>
5 #include <semaphore.h>
6 #include <fcntl.h>
7 #include <sys/mman.h>
8 #include <errno.h>
9
10 #define SEM_NAME "mysem"
11 #define FILE_MODE (S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH)
12
13 //共享内存结构
14 struct shared
15 {
16 sem_t mutex; //信号量
17 int count; //计数器
18 }shared;
19
20 int main(int argc,char* argv[])
21 {
22 int fd,i,nloop;
23 struct shared *ptr;
24 if(argc != 3)
25 {
26 printf("usage: incrl <#loops>");
27 exit(0);
28 }
29 nloop = atoi(argv[2]);
30 fd = open(argv[1],O_RDWR|O_CREAT,FILE_MODE);
31 write(fd,&shared,sizeof(struct shared));
32 ptr = mmap(NULL,sizeof(struct shared),PROT_READ| PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
33 if(ptr == MAP_FAILED)
34 {
35 perror("mmap() error");
36 exit(0);
37 }
38 close(fd);
39 sem_init(&ptr->mutex,1,1);
40 setbuf(stdout,NULL);
41 if(fork() == 0)
42 {
43 for(i = -0;i<nloop;++i)
44 {
45 sem_wait(&ptr->mutex);
46 printf("child: %d\n",ptr->count++);
47 sem_post(&ptr->mutex);
48 }
49 exit(0);
50 }
51 for(i = 0;i<nloop;++i)
52 {
53 sem_wait(&ptr->mutex);
54 printf("parent: %d\n",ptr->count++);
55 sem_post(&ptr->mutex);
56 }
57 wait(NULL);
58 exit(0);
59 }
程序执行结果与上面的一致。从上面的程序发现，我们在进行文件映射的时候，当文件不存在的时候需要在文件系统中创建一个文件然后打开。4.4BSD提供匿名内存映射，避免了文件的创建和打开。其解决办法是将mmap的flags的参数指定为MAP_SHARED | MAP_ANON，把fd参数指定为-1，offset参数则被忽略。这样的内存区初始化为0。实现如下所示：
int *ptr;
ptr = mmap(NULL,sizeof(int),PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED | MAP_ANON,-1,0);
SVR4提供了/dev/zero设备文件，从该设备读是返回的字节全为0，写往该设备的任何字节被丢弃。实现如下所示：
int *ptr;
fd = open("dev/zero",O_RDWR);
ptr = mmap(NULL,sizeof(int),PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
