linux系统进程间通信方式(一)：共享内存

前言

linux系统可以创建多个用户进程，进程之间有多种通信方式，可以使用system-V的IPC对象进行通信；从本文开始，首先介绍system-V IPC之一的共享内存。

一、了解system-V IPC

(一)什么是SYSTEM-V IPC？

linux系统的内核可以创建一些对象（共享内存、消息队列、信号量），这些对象拥有它们自己的标识符（ID），并且每一个对象都是通过一个唯一的key来绑定（识别）它；多个进程可以这些对象来通信，这些内核中的对象被人们称为system-V IPC。

上面讲的这些IPC对象它是存在于内核中，和进程是相互独立的；进程想使用这些IPC对象，那它怎么知道现在用的是哪一个对象呢？所以需要提供一个唯一的值来识别（绑定）这些IPC对象。那么在linux系统里面怎么获取一个唯一的值呢？我们都知道，对于linux系统来说，一切都是文件，文件是唯一的，那么它的inode节点也是唯一的，所以可以利用它来创建一个唯一的值，也就是上面提到的key。

linux提供了一个api函数ftok，它可以帮我们创建一个唯一的key，来绑定一个IPC对象。（创建key的原理这里简述一下：就是通过文件的inode号和一个用户指定的工程id（proj_id）来制作key，具体怎么生成这里不详细展述）

那么多个进程使用这个相同的key，就可以获取到同一个IPC对象的ID，从而使用同一个IPC对象来进行通信。

下面展示一下linux系统中的IPC对象的有关信息（使用命令ipcs）

注意：输入ipcs -m只显示共享内存；输入ipcs -q只显示消息队列；输入ipcs -s只显示信号量

上述的IPC 对象在内核内部使用链表维护，不同的对象使用 IPC 标识符来标识，如消息队列标识符 msqid、共享内存标识符 shmid，信号量标识符 semid。对于用户来说，内核提供了简洁的接口，不同的进程通过指定的key 就可以访问具体的对象。

(二)system-V IPC的特点

1.独立于进程
2.没有文件名和文件描述符
3.IPC对象具有key和ID

二、使用共享内存实现进程间通信（示例）

1.设计意图

实现两个进程通信，一个进程往共享内存写数据，另一个从共享内存读取数据

2.设计思路

1、首先有两个程序：p1.c、p2.c；

2、这两个程序先后运行之后系统会创建两个进程(下面统称为p1、p2)；

3、p1创建一块共享内存、创建两个信号量

4、p2获取这块共享内存、打开信号量

5、p1从键盘获取字符串，然后往共享内存写入数据

6、p2从共享内存读取数据，并打印出数据

7、通信过程使用posix有名信号量实现同步（即p1写完数据p2才能读取数据）

3.代码实现

程序p1.c

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <error.h>

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

#include <fcntl.h>           /* For O_* constants */
#include <sys/stat.h>        /* For mode constants */
#include <semaphore.h>

static void free_resource(char *shmaddr, int shmid, sem_t *sem1, sem_t *sem2)
{
	int ret;

	ret = shmdt(shmaddr);
	if(ret < 0)
	{
		perror("shm detach fail");
	}
	
	if(shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL)<0)
	{
		perror("remove a shm fail");
	}
	
	if(sem_close(sem1) < 0)
	{
		perror("close sem1 fail");
	}

	if(sem_close(sem2) < 0)
	{
		perror("close sem2 fail");
	}

	if(sem_unlink("sem1") < 0)
	{
		perror("remove sem1 fail");
	}

	if(sem_unlink("sem2") < 0)
	{
		perror("remove sem2 fail");
	}
}

int main(int argc, char **argv)
{
	key_t key;
	int shmid;
	char *shmaddr = NULL;
	sem_t *sem1 = NULL;
	sem_t *sem2 = NULL;
	int ret;

#if 1
	//首先通过ftok申请一个IPC的key
	key = ftok("./1", 4);
	if((int)key < 0)
	{
		perror("creat a ipc key fail");
		return -1;
	}
	printf("key value:%d\n", (int)key);
#endif

	//申请一块共享内存
	shmid = shmget(key, 100, IPC_CREAT|0666);	
	if(shmid < 0)
	{
		perror("creat a shm fail");
		return -1;
	}

	//映射到本用户进程
	shmaddr = shmat(shmid, NULL, 0);
	if((long)shmaddr < 0)
	{
		perror("shm attach fail");
		return -1;
	}

	//创建一个posix有名信号量
	sem1 = sem_open("sem1", O_CREAT|O_RDWR, 0666, 1);
	if(sem1 == SEM_FAILED)
	{
		perror("sem1 open fail");
		return -1;
	}
	
	//创建一个posix有名信号量
	sem2 = sem_open("sem2", O_CREAT|O_RDWR, 0666, 0);
	if(sem2 == SEM_FAILED)
	{
		perror("sem2 open fail");
		return -1;
	}
	
	while(1)
	{
		//P操作，等待信号量有效
		sem_wait(sem1);

		if(fgets(shmaddr, 11, stdin) != shmaddr)
		{
			perror("get char from stdin fail");
			return -2;
		}

		//V操作，释放信号量
		sem_post(sem2);

		if(strncmp("quit", shmaddr, 4) == 0)
		{
			printf("p1 ready toquit\n");
			break;
		}
	}
	
	//释放资源
	free_resource(shmaddr, shmid, sem1, sem2);
	
	return 0;
}

程序p2.c

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <error.h>

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

#include <fcntl.h>           /* For O_* constants */
#include <sys/stat.h>        /* For mode constants */
#include <semaphore.h>


int main(int argc, char **argv)
{
	key_t key;
	int shmid;
	char *shmaddr = NULL;
	sem_t *sem1 = NULL;
	sem_t *sem2 = NULL;
	char read_buf[100] = {0};

#if 1
	//首先通过ftok申请一个IPC的key
	key = ftok("./1", 3);
	if((int)key < 0)
	{
		perror("creat a ipc key fail");
		return -1;
	}
#endif
	
	//申请一块共享内存
	shmid = shmget(key, 100, IPC_CREAT|0666);	
	if(shmid < 0)
	{
		perror("creat a shm fail");
		return -1;
	}

	//映射到本用户进程
	shmaddr = shmat(shmid, NULL, 0);
	if((long)shmaddr < 0)
	{
		perror("shm attach fail");
		return -1;
	}

	//创建一个posix有名信号量
	sem1 = sem_open("sem1", O_CREAT|O_RDWR, 0666, 1);
	if(sem1 == SEM_FAILED)
	{
		perror("sem1 open fail");
		return -1;
	}
	
	//创建一个posix有名信号量
	sem2 = sem_open("sem2", O_CREAT|O_RDWR, 0666, 0);
	if(sem2 == SEM_FAILED)
	{
		perror("sem2 open fail");
		return -1;
	}
	
	while(1)
	{
		//P操作，等待信号量有效
		sem_wait(sem2);

		strncpy(read_buf, shmaddr, 10);
		printf("read info from shm:%s\n", read_buf);
		
		//V操作，释放信号量
		sem_post(sem1);

		if(strncmp("quit", read_buf, 4) == 0)
		{
			printf("p2 ready toquit\n");
			break;
		}
	}
	
	//释放资源
	
	return 0;
}