Linux下进程间如何实现共享内存通信

嵌入式技术

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这次我们来讲一下Linux进程通信中重要的通信方式:共享内存作为Linux软件开发攻城狮,进程间通信是必须熟练掌握的重要技能,而共享内存是在程序开发中常用的也是重要的一种进程间通信方式。

下面我们就来聊一聊Linux下进程间如何实现共享内存通信,有哪些方式?

1、基本概念

UNIX 和 Linux

UNIX和Linux是两种不同的操作系统,它们的主要区别在以下几个方面:

  • 历史:UNIX是最早的商业化操作系统之一,最初由贝尔实验室开发,而Linux则是由Linus Torvalds于1991年开发的开源操作系统。
  • 源代码:UNIX的源代码是私有的,需要购买授权才能使用和修改,而Linux是开源的,任何人都可以自由地访问、使用和修改其源代码。
  • 可移植性:由于UNIX的代码是私有的,因此它们在不同的硬件平台之间的可移植性较差。 而Linux的源代码是开放的,因此它可以在多种硬件平台上运行。
  • 发行版:UNIX有多个商业和非商业版本,如Solaris、AIX、HP-UX等,每个版本都有自己的特点和功能。 而Linux则有许多不同的发行版,如Ubuntu、Debian、Red Hat、Fedora等。
  • 命令行工具:UNIX和Linux有许多相同的命令行工具和命令,如ls、grep、awk等,但也有一些不同之处。

总的来说,UNIX和Linux都是基于UNIX哲学的操作系统,但它们在源代码、可移植性、发行版和命令行工具等方面有所不同。

System V 和 POSIX

System V和POSIX是两种不同的操作系统标准,它们的区别在以下几个方面:

  • 历史背景:System V最初是由AT&T开发的UNIX版本,而POSIX是IEEE为了保证不同UNIX系统的兼容性而开发的标准。
  • 体系结构:System V是一种具体的操作系统,而POSIX则是一种操作系统接口标准。 因此,System V具有更多的操作系统特定功能,而POSIX的接口更为通用,适用于多种不同类型的UNIX系统。
  • 文件系统:System V和POSIX的文件系统不同。 System V使用名为“inode”的数据结构来描述文件和目录,而POSIX则使用名为“文件描述符”的整数来表示打开的文件。
  • 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)。
  • 网络支持:System V和POSIX的网络支持也不同。 System V使用TCP/IP协议栈,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都是用于在不同进程间进行通信的机制,但它们之间有几个区别:

  • 编程接口:System V IPC和POSIX IPC的编程接口不同。 System V IPC使用IPC对象(如信号量、共享内存和消息队列)来实现进程间通信,而POSIX IPC使用命名对象(如命名信号量、命名共享内存和命名管道)。
  • 可移植性:POSIX IPC是由IEEE POSIX标准定义的,因此POSIX IPC是可移植的,可在不同的操作系统上使用。 而System V IPC是由System V操作系统提供的,因此不同的操作系统可能实现不同,因此在跨平台时可能会有问题。
  • 接口和实现:System V IPC的接口和实现是紧密耦合的,而POSIX IPC的接口和实现是松散耦合的。 这意味着在POSIX IPC中,接口和实现是独立的,因此可以在实现中进行更改,而不影响接口,这使得在不同的系统上实现相同的接口变得更容易。
  • 特性:System V IPC提供的特性比POSIX IPC多,例如,System V IPC提供了消息队列,而POSIX IPC则没有。 另一方面,POSIX IPC提供了诸如命名管道之类的特性,而System V IPC则没有。

综上所述,System V IPC和POSIX IPC都有其优点和缺点。 在选择使用哪种IPC机制时,需要根据具体应用场景和需求进行权衡。

3、共享内存实现方式

在Linux下,共享内存可以使用System V IPC机制或POSIX IPC机制实现。

  • 使用System V IPC机制:

使用shmget()函数创建共享内存区域并获取其标识符。 使用shmat()函数将共享内存区域附加到进程地址空间中。 使用shmdt()函数将共享内存区域从进程地址空间中分离。 使用shmctl()函数控制共享内存区域的属性和状态。

  • 使用POSIX IPC机制:

使用shm_open()函数创建共享内存区域并获取其文件描述符。 使用ftruncate()函数调整共享内存区域的大小。 使用mmap()函数将共享内存区域映射到进程地址空间中。 使用munmap()函数解除共享内存区域与进程地址空间的映射关系。 使用shm_unlink()函数删除共享内存区域的文件名并释放资源。

System V IPC机制实现共享内存

以下是一个使用System V IPC机制实现共享内存的简单例程,它展示了如何创建、附加和分离共享内存区域。

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define SHM_SIZE 1024 // 共享内存大小

int main() {
    int shmid;
    char *shmaddr;
    char s8ReadBuf[1024] = {0};
    key_t key = ftok(".", 's'); // 获取共享内存标识符

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

    // 创建共享内存区域
    shmid = shmget(key, SHM_SIZE, IPC_CREAT | 0666);
    if (shmid == -1) {
        perror("shmget");
        exit(1);
    }

    // 将共享内存区域附加到进程地址空间中
    shmaddr = shmat(shmid, NULL, 0);
    if (shmaddr == (char *) -1) {
        perror("shmat");
        exit(1);
    }

#if 1
    // 在共享内存中写入数据
    strncpy(shmaddr, "Hello, world!", SHM_SIZE);
#else
    // 读数据
    // memcpy(s8ReadBuf, shmaddr, 1024);
    // printf("s8ReadBuf:%s\\n", s8ReadBuf);
#endif

    // 分离共享内存区域
    if (shmdt(shmaddr) == -1) {
        perror("shmdt");
        exit(1);
    }

    return 0;
}

在上面的例程中,我们首先使用ftok()函数生成一个key值作为共享内存的标识符。 然后使用shmget()函数创建共享内存区域,shmaddr指向共享内存区域的起始地址。 最后使用shmdt()函数分离共享内存区域。

POSIX IPC机制实现共享内存

以下是一个使用POSIX IPC机制实现共享内存的简单例程,它展示了如何创建、映射和解除映射共享内存区域。

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

#define SHM_SIZE 1024 // 共享内存大小
#define SHM_NAME "/myshm" // 共享内存名称

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

    // 创建共享内存区域
    fd = shm_open(SHM_NAME, O_CREAT | O_RDWR, 0666);
    if (fd == -1) {
        perror("shm_open");
        exit(1);
    }

    // 调整共享内存区域的大小
    if (ftruncate(fd, SHM_SIZE) == -1) {
        perror("ftruncate");
        exit(1);
    }

    // 映射共享内存区域到进程地址空间中
    shmaddr = mmap(NULL, SHM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (shmaddr == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        exit(1);
    }

#if 1
    // 在共享内存中写入数据
    strncpy(shmaddr, msg, SHM_SIZE);
#else
    // 读数据
    // memcpy(s8ReadBuf, shmaddr, 1024);
    // printf("s8ReadBuf:%s\\n", s8ReadBuf);
#endif
    // 解除共享内存区域与进程地址空间的映射关系
    if (munmap(shmaddr, SHM_SIZE) == -1) {
        perror("munmap");
        exit(1);
    }

    // 删除共享内存区域的文件名并释放资源
    if (shm_unlink(SHM_NAME) == -1) {
        perror("shm_unlink");
        exit(1);
    }

    return 0;
}

在上面的例程中,我们使用shm_open()函数创建一个共享内存区域,然后使用ftruncate()函数调整共享内存区域的大小。 接着,我们使用mmap()函数将共享内存区域映射到进程地址空间中,并使用strncpy()函数在共享内存中写入数据。 最后,我们使用munmap()函数解除共享内存区域与进程地址空间的映射关系,并使用shm_unlink()函数删除共享内存区域的文件名并释放资源。

小结

通过上面的示例希望对小伙伴们在共享内存通信编程中有所帮助,学会如何使用共享内存通信,并灵活运用于日常的编程中。 共享内存方式的通信必须熟练掌握与应用。

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