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1、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。Linux 的 2.2.x 内核支持多种共享内存方式，如 m
2、map()系统调用， Posix 共享内存，以及系统 V 共享内存。linux 发行版本如 Redhat 8.0 支持 mmap()系统调用及系统 V 共享内存，但还没实现 Posix 共享内存，本文将主要介绍 mmap()系统调用及系统 V 共享内存 API 的原理及应用。一、内核怎样保证各个进程寻址到同一个共享内存区域的内存页面1、page cache 及 swap cache 中页面的区分：一个被访问文件的物理页面都驻留在 page cache 或 swap cache 中，一个页面的所有信息由 struct page 来描述。struct page 中有一个域为指针 mapping ，
3、它指向一个 struct address_space 类型结构。page cache 或swap cache 中的所有页面就是根据 address_space 结构以及一个偏移量来区分的。2、文件与 address_space 结构的对应：一个具体的文件在打开后，内核会在内存中为之建立一个 struct inode 结构，其中的 i_mapping 域指向一个 address_space 结构。这样，一个文件就对应一个 address_space 结构，一个 address_space 与一个偏移量能够确定一个 page cache 或 swap cache 中的一个页面。因此，当要寻址某个数
4、据时，很容易根据给定的文件及数据在文件内的偏移量而找到相应的页面。3、进程调用 mmap()时，只是在进程空间内新增了一块相应大小的缓冲区，并设置了相应的访问标识，但并没有建立进程空间到物理页面的映射。因此，第一次访问该空间时，会引发一个缺页异常。4、对于共享内存映射情况，缺页异常处理程序首先在 swap cache 中寻找目标页（符合address_space 以及偏移量的物理页），如果找到，则直接返回地址；如果没有找到，则判断该页是否在交换区(swap area)，如果在，则执行一个换入操作；如果上述两种情况都不满足，处理程序将分配新的物理页面，并把它插入到 page cache 中。进程
5、最终将更新进程页表。 注：对于映射普通文件情况（非共享映射），缺页异常处理程序首先会在 page cache 中根据 address_space 以及数据偏移量寻找相应的页面。如果没有找到，则说明文件数据还没有读入内存，处理程序会从磁盘读入相应的页面，并返回相应地址，同时，进程页表也会更新。5、所有进程在映射同一个共享内存区域时，情况都一样，在建立线性地址与物理地址之间的映射之后，不论进程各自的返回地址如何，实际访问的必然是同一个共享内存区域对应的物理页面。 注：一个共享内存区域可以看作是特殊文件系统 shm 中的一个文件，shm 的安装点在交换区上。上面涉及到了一些数据结构，围绕数据结构理解
6、问题会容易一些。回页首二、mmap()及其相关系统调用mmap()系统调用使得进程之间通过映射同一个普通文件实现共享内存。普通文件被映射到进程地址空间后，进程可以向访问普通内存一样对文件进行访问，不必再调用 read()，write（）等操作。注：实际上，mmap()系统调用并不是完全为了用于共享内存而设计的。它本身提供了不同于一般对普通文件的访问方式，进程可以像读写内存一样对普通文件的操作。而 Posix 或系统 V 的共享内存 IPC 则纯粹用于共享目的，当然 mmap()实现共享内存也是其主要应用之一。1、mmap() 系统调用形式如下：void* mmap ( void * addr
7、, size_t len , int prot , int flags , int fd , off_t offset ) 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）,
8、 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。这里不再详细介绍 mmap()的参数，读者可参考 mmap()手册页获得
9、进一步的信息。2、系统调用 mmap()用于共享内存的两种方式：（1）使用普通文件提供的内存映射：适用于任何进程之间； 此时，需要打开或创建一个文件，然后再调用 mmap()；典型调用代码如下：fd=open(name, flag, mode);if(fd#include #include #include typedef structchar name4;int age;people;main(int argc, char* argv) / map a normal file as shared mem:int fd,i;people *p_map;char temp;fd=open(arg
10、v1,O_CREAT|O_RDWR|O_TRUNC,00777); lseek(fd,sizeof(people)*5-1,SEEK_SET);write(fd,1);p_map = (people*) mmap( NULL,sizeof(people)*10,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0 );close( fd );temp = a;for(i=0; i#include #include #include typedef structchar name4;int age;people;main(int argc, char* argv) / map
11、 a normal file as shared mem:int fd,i;people *p_map;fd=open( argv1,O_CREAT|O_RDWR,00777 );p_map = (people*)mmap(NULL,sizeof(people)*10,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);for(i = 0;i#include #include #include typedef structchar name4;int age;people;main(int argc, char* argv)int i;people *p_map;cha
12、r temp;p_map=(people*)mmap(NULL,sizeof(people)*10,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS,-1,0);if(fork() = 0)sleep(2);for(i = 0;i#include #include #include typedef structchar name4;int age;people;main(int argc, char* argv)int fd,i;int pagesize,offset;people *p_map;pagesize = sysconf(_SC_PAGES
13、IZE);printf(pagesize is %dn,pagesize);fd = open(argv1,O_CREAT|O_RDWR|O_TRUNC,00777);lseek(fd,pagesize*2-100,SEEK_SET);write(fd,1);offset = 0; /此处 offset = 0 编译成版本 1；offset = pagesize 编译成版本2p_map = (people*)mmap(NULL,pagesize*3,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,offset);close(fd);for(i = 1; i#include
14、 shmget（）用来获得共享内存区域的 ID，如果不存在指定的共享区域就创建相应的区域。shmat()把共享内存区域映射到调用进程的地址空间中去，这样，进程就可以方便地对共享区域进行访问操作。shmdt()调用用来解除进程对共享内存区域的映射。shmctl 实现对共享内存区域的控制操作。这里我们不对这些系统调用作具体的介绍，读者可参考相应的手册页面，后面的范例中将给出它们的调用方法。注：shmget 的内部实现包含了许多重要的系统 V 共享内存机制；shmat 在把共享内存区域映射到进程空间时，并不真正改变进程的页表。当进程第一次访问内存映射区域访问时，会因为没有物理页表的分配而导致一个缺页
15、异常，然后内核再根据相应的存储管理机制为共享内存映射区域分配相应的页表。回页首3、系统 V 共享内存限制在/proc/sys/kernel/目录下，记录着系统 V 共享内存的一下限制，如一个共享内存区的最大字节数 shmmax，系统范围内最大共享内存区标识符数 shmmni 等，可以手工对其调整，但不推荐这样做。在2中，给出了这些限制的测试方法，不再赘述。回页首4、系统 V 共享内存范例本部分将给出系统 V 共享内存 API 的使用方法，并对比分析系统 V 共享内存机制与mmap()映射普通文件实现共享内存之间的差异，首先给出两个进程通过系统 V 共享内存通信的范例：/* testwrite.
16、c */#include #include #include #include typedef structchar name4;int age; people;main(int argc, char* argv)int shm_id,i;key_t key;char temp;people *p_map;char* name = /dev/shm/myshm2;key = ftok(name,0);if(key=-1)perror(ftok error);shm_id=shmget(key,4096,IPC_CREAT);if(shm_id=-1)perror(shmget error);return;p_map=(people*)shmat(shm_id,NULL,0);temp=a;for(i = 0;i#include #include #include typed
