对话 UNIX 通过共享内存进行进程间通信.docx
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对话UNIX通过共享内存进行进程间通信
对话UNIX:
通过共享内存进行进程间通信
MartinStreicher,软件开发人员,Pixel,Byte,andComma
MartinStreicher是一位RubyonRails的自由开发人员和LinuxMagazine的前任主编。
Martin毕业于PurdueUniversity并获得计算机科学学位，从1986年起他一直从事UNIX类系统的编程工作。
他喜欢收集艺术品和玩具。
简介：
UNIX®提供多种进程间通信技术，支持在两个或更多应用程序之间实现协作计算。
共享内存是这些技术中最快、最灵活的，而且非常容易实现。
从表面上看，UNIX®应用程序单独控制底层主机。
它随时可以访问处理器，它的内存是神圣不可侵犯的，连接它的设备只为它服务。
但是表面现象会骗人，这样有如君主一般的绝对地位只是幻想而已。
UNIX系统同时运行大量应用程序，有限的物理资源要在它们之间共享。
处理器能力被划分为时间片，应用程序映像经常被换入和换出真实内存，设备访问由需求驱动，还受到访问权限的限制。
尽管您的shell提示符不断闪烁，但是UNIX系统并非只是等着您发出命令，在幕后有许多活动正在进行。
常用缩略词
∙API：
应用程序编程接口
∙IPv4：
Internet协议第4版
∙IPv6：
Internet协议第6版
∙POSIX：
UNIX的可移植操作系统接口
尽管涉及一些复杂的机制，但是大多数应用程序不会注意到资源实际上是共享的，它们似乎是独享资源。
但是，可以编写相互交互的应用程序。
例如，一个应用程序收集或生成数据，而另一个应用程序同时监视进度并分析信息。
另一个例子是即时交换消息的聊天系统，其中有两个对等的应用程序相互收发数据。
SecureShell（ssh）也是这样，它可以在两个完全不同的主机之间进行协作。
在这些情况下，代码都要连接另一段独立的代码以交换信息，这常常需要使用某种协议协商和控制交换过程。
UNIX为实现这样的进程间通信提供了多种技术。
一些技术提供同一主机上的进程间通信，其他技术可以实现主机到主机的信息交换。
另外，各种技术的速度不同，所以必须选择最合适自己需求的技术。
还必须进行协调（实施时间控制和排他控制）。
例如，如果一个应用程序产生数据，另一个应用程序消费数据，那么当读完共享池时消费者必须停下来等待生产者。
另一方面，如果消费者无法足够快地读取池，生产者必须慢下来或暂停。
表1总结在典型的UNIX系统上可用的进程间通信形式。
表1.UNIX中的进程间通信
名称
说明
范围
用途
文件
在典型的UNIX文件中读写数据。
任意数量的进程都可以互操作。
本地
共享大数据集
管道
使用专用的文件描述符在两个进程之间传输数据。
通信只在父进程和子进程之间进行。
本地
简单的数据共享，比如生产者和消费者
命名管道
通过专用的文件描述符在进程之间交换数据。
通信可以在同一主机上的任意两个对等进程之间进行。
本地
生产者和消费者或命令-控制，比如MySQL和它的命令行查询工具
信号
通过中断通知应用程序某一情况。
本地
无法在信号中传输数据，所以信号主要用于进程管理
共享内存
通过在同一内存段中读写数据共享信息。
本地
任何类型的协作，尤其适合需要安全性的情况
套接字
完成特殊的设置过程之后，使用一般的输入/输出操作传输数据。
本地或远程
FTP、ssh和ApacheWebServer等网络服务
正如前面提到的，每种技术满足不同的需求。
假设多个进程之间的协作的复杂性大体相当，每种方法的优点和缺点如下：
∙通过一般的UNIX文件共享数据很简单，因为它使用大家熟悉的文件操作。
但是，通过文件系统共享数据很慢，因为磁盘输入和输出操作的效率远远比不上内存。
另外，只通过文件读写数据很难协调。
最后，在文件中保存敏感数据是不安全的，因为根用户和拥有特权的其他用户可以访问这些信息。
对于只读或只写的数据，适合使用文件。
∙管道和命名管道也很简单。
它们在连接的两端使用两个标准的文件描述符—一个只执行读操作，另一个只执行写操作。
但是，管道只能在父进程和子进程之间使用，不能在任意两个进程之间使用。
命名管道克服了这个缺点，是在同一系统上交换数据的好方法。
但是，管道和命名管道都不提供随机访问，因为它们都作为先入先出（FIFO）设备。
∙信号无法在进程之间传输数据。
一般情况下，信号应该只用于在进程之间通知异常情况。
∙共享内存适合比较大的数据集，因为它使用内存，支持快速的随机访问。
共享内存的实现有点儿复杂，尽管如此，对于多个进程之间的主机内协作，共享内存是不错的方法。
∙套接字的功能与命名管道很相似，但是可以跨主机。
本地套接字（也称为UNIX套接字）只能进行本地（同一主机上的）连接。
Inet和Inet6套接字分别使用IPv4和IPv6协议，它们接受远程连接（也可以通过本地机器的Internet寻址机制接受本地连接）。
网络应用程序显然应该选择套接字，比如分布式处理或web浏览器。
所需的代码比命名管道复杂一点儿，但是模式是固定的，在任何UNIX网络编程书中都有介绍。
现在不考虑主机间应用程序通信，看看如何通过共享内存在同一主机上进行进程间通信。
共享内存的工作方式
顾名思义，共享内存让一段内存可供多个进程访问。
用特殊的系统调用（即对UNIX内核的请求）分配和释放内存并设置权限；通过一般的读写操作读写内存段中的数据。
共享内存并不是从某一进程拥有的内存中划分出来的；进程的内存总是私有的。
共享内存是从系统的空闲内存池中分配的，希望访问它的每个进程连接它。
这个连接过程称为映射，它给共享内存段分配每个进程的地址空间中的本地地址。
图1、图2、图3和图4说明此过程：
1.假设在同一系统上有两个进程A和B正在运行（见图1），它们可以通过共享内存进行协作和共享信息。
在图中A和B采用不同大小的图形，以此强调应用程序不必相同。
图1.两个进程在同一个主机上运行，执行不同的代码
2.在图2中，进程A请求一个共享内存段。
进程A对这个内存段进行初始化，让它准备好接受访问。
这个过程还给内存段命名，让其他进程可以找到它。
通常，内存段名称并不是动态分配的；而是众所周知的，比如使用头文件中的常量，其他代码可以方便地引用它。
图2.一个进程请求共享内存段
3.进程A把共享内存段连接（即映射）到自己的地址空间。
进程B通过它的命名管道找到这个内存段，也把它映射到自己的地址空间，见图3。
两个进程扩大了，表示包含共享内存段。
图3.两个进程连接（即映射）共享内存段
4.最后，在图4中，进程A和B可以随意读写共享内存段。
按照与本地进程内存相同的方式对待共享内存。
read（）和write（）的作用与一般情况下一样。
图4.两个或更多进程现在可以通过共同的内存共享数据
这些图中所示的许多工作可以通过UNIX共享内存API执行。
实际上，有两套共享内存API：
POSIXAPI和比较老（但是仍然有效）的SystemVAPI。
因为POSIX是UNIX和Linux®及其衍生系统上的公认标准，所以我们使用此版本。
另外，POSIXAPI使用简单的文件描述符执行读写，大家应该更熟悉。
POSIX为创建、映射、同步和取消共享内存段提供五个入口点：
∙shm_open（）：
创建共享内存段或连接到现有的已命名内存段。
这个系统调用返回一个文件描述符。
∙shm_unlink（）：
根据（shm_open（）返回的）文件描述符，删除共享内存段。
实际上，这个内存段直到访问它的所有进程都退出时才会删除，这与在UNIX中删除文件很相似。
但是，调用shm_unlink（）（通常由原来创建共享内存段的进程调用）之后，其他进程就无法访问这个内存段了。
∙mmap（）：
把共享内存段映射到进程的内存。
这个系统调用需要shm_open（）返回的文件描述符，它返回指向内存的指针。
（在某些情况下，还可以把一般文件或另一个设备的文件描述符映射到内存。
对这些操作的讨论超出了本文的范围；具体方法请查阅操作系统的mmap（）文档。
）
∙munmap（）：
作用与mmap（）相反。
∙msync（）：
用来让共享内存段与文件系统同步—当把文件映射到内存时，这种技术有用。
使用共享内存的过程是，用shm_open（）创建内存段，用write（）或ftruncate（）设置它的大小，用mmap（）把它映射到进程内存，执行其他参与者需要的操作。
当使用完时，原来的进程调用munmap（）和shm_unlink（），然后退出。
示例应用程序
清单1给出一个简单的共享内存示例。
（代码取自JohnFusco撰写的TheLinuxProgrammer'sToolbox一书[由PrenticeHallProfessional于2007年3月出版，ISBN0132198576]，已经得到出版商的使用授权。
）代码实现通过共享内存段通信的父进程和子进程。
清单1.共享内存示例
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
voiderror_and_die（constchar*msg）{
perror（msg）;
exit（EXIT_FAILURE）;
}
intmain（intargc,char*argv[]）{
intr;
constchar*memname="sample";
constsize_tregion_size=sysconf（_SC_PAGE_SIZE）;
intfd=shm_open（memname,O_CREAT|O_TRUNC|O_RDWR,0666）;
if（fd==-1）
error_and_die（"shm_open"）;
r=ftruncate（fd,region_size）;
if（r!
=0）
error_and_die（"ftruncate"）;
void*ptr=mmap（0,region_size,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0）;
if（ptr==MAP_FAILED）
error_and_die（"mmap"）;
close（fd）;
pid_tpid=fork（）;
if（pid==0）{
u_long*d=（u_long*）ptr;
*d=0xdbeebee;
exit（0）;
}
else{
intstatus;
waitpid（pid,&status,0）;
printf（"childwrote%#lx\n",*（u_long*）ptr）;
}
r=munmap（ptr,region_size）;
if（r!
=0）
error_and_die（"munmap"）;
r=shm_unlink（memname）;
if（r!
=0）
error_and_die（"shm_unlink"）;
return0;
}
下面是代码中的一些要点：
∙对shm_open（）的调用看起来应该很熟悉；它与open（）函数很相似，包括初始化内存段和设置权限的方式。
在这里，内存段是全局可读、全局可写的。
如果调用成功，返回下一个未使用的文件描述符；否则，返回-1并相应地设置errno。
∙ftruncate（）把文件的大小设置为region_size字节，这以前设置为系统的标准页面大小。
sysconf（）是libc的组成部分。
（还可以使用shell工具getconf检查系统的配置设置。
）
∙mmap（）连接共享内存段，返回用于对内存段直接读写字节的指针。
PROT_READ和PROT_WRITE分别表示可以读和写这个内存段中的页面。
MAP_SHARED表示对这个内存段的任何修改应该向所有参与共享的进程“公开”。
∙如果您使用过fork（），那么应该熟悉代码的计算部分。
执行fork之后，父进程和子进程获得打开的所有文件描述符和数据值的拷贝，所以指针对于它们都是有效的。
但是，pid不同。
子进程获得0，父进程获得子进程的进程ID，这个变量的值决定执行哪个if/then/else分支。
子进程向指针写一些字节，然后退出。
父进程等待子进程退出，然后读取它写的数据。
∙但是，在父进程退出之前，它必须释放共享内存。
用munmap（）和shm_unlink（）完成这个步骤。
这个示例非常简单。
真实的应用程序会使用信号量或其他技术控制对共享内存段的读写。
这种控制通常因应用程序而异，如果您的UNIX版本不是开放源码的，可以在BerkeleySoftwareDistribution（BSD）和Linux源代码中找到许多示例。
结束语
因为UNIX同时运行许多应用程序，所以它是非常适合监视、数据收集、协作和分布式计算以及客户机-服务器应用程序的平台。
共享内存是速度最快的进程间通信技术，而且非常灵活。
还可以把文件映射到内存，这是加快数据访问的理想解决方案。
参考资料
学习
∙Linux程序员的工具包：
研究这个工具包。
∙共享内存：
阅读关于共享内存的基础教程，进一步了解各种实现。
∙进程间通信：
进一步了解共享内存和其他进程间通信形式是如何实现的。
∙对话UNIX：
阅读本系列中的其他部分。
∙AIXandUNIX专区：
developerWorks的“AIXandUNIX专区”提供了大量与AIX系统管理的所有方面相关的信息，您可以利用它们来扩展自己的UNIX技能。
∙AIXandUNIX新手入门：
访问“AIXandUNIX新手入门”页面可了解更多关于AIX和UNIX的内容。
∙AIXandUNIX专题汇总：
AIXandUNIX专区已经为您推出了很多的技术专题，为您总结了很多热门的知识点。
我们在后面还会继续推出很多相关的热门专题给您，为了方便您的访问，我们在这里为您把本专区的所有专题进行汇总，让您更方便的找到您需要的内容。
∙AIXandUNIX下载中心：
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关于作者
MartinStreicher是一位RubyonRails的自由开发人员和LinuxMagazine的前任主编。
Martin毕业于PurdueUniversity并获得计算机科学学位，从1986年起他一直从事UNIX类系统的编程工作。
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