Linux下進程間共享內(nèi)存通信常用的同步機制

今天我們來講講進程間使用共享內(nèi)存通信時為了確保數(shù)據(jù)的正確，如何進行同步?

在Linux中，進程間的共享內(nèi)存通信需要通過同步機制來保證數(shù)據(jù)的正確性和一致性，常用的同步機制包括信號量、互斥鎖、條件變量等。

其中，使用信號量來同步進程間的共享內(nèi)存訪問是一種常見的方法。每個共享內(nèi)存區(qū)域可以關(guān)聯(lián)一個或多個信號量，以保護共享內(nèi)存區(qū)域的讀寫操作。在訪問共享內(nèi)存之前，進程需要獲取信號量的使用權(quán)，當(dāng)完成讀寫操作后，再釋放信號量的使用權(quán)，以便其他進程可以訪問共享內(nèi)存區(qū)域。

1、信號量同步

下面是一個簡單的示例程序，展示了如何使用信號量來同步共享內(nèi)存區(qū)域的讀寫操作：

?

#include?
#include?
#include?
#include?
#include?
#include?

#define?SHM_SIZE?1024
#define?SEM_KEY?0x123456

//?定義聯(lián)合體，用于信號量操作
union?semun?{
????int?val;
????struct?semid_ds?*buf;
????unsigned?short?*array;
};

int?main()?{
????int?shmid,?semid;
????char?*shmaddr;
????struct?sembuf?semops[2];
????union?semun?semarg;

????//?創(chuàng)建共享內(nèi)存區(qū)域
????shmid?=?shmget(IPC_PRIVATE,?SHM_SIZE,?IPC_CREAT?|?0666);
????if?(shmid?==?-1)?{
????????perror("shmget");
????????exit(1);
????}

????//?將共享內(nèi)存區(qū)域附加到進程地址空間中
????shmaddr?=?shmat(shmid,?NULL,?0);
????if?(shmaddr?==?(char?*)?-1)?{
????????perror("shmat");
????????exit(1);
????}

????//?創(chuàng)建信號量
????semid?=?semget(SEM_KEY,?1,?IPC_CREAT?|?0666);
????if?(semid?==?-1)?{
????????perror("semget");
????????exit(1);
????}

????//?初始化信號量值為1
????semarg.val?=?1;
????if?(semctl(semid,?0,?SETVAL,?semarg)?==?-1)?{
????????perror("semctl");
????????exit(1);
????}

????//?等待信號量
????semops[0].sem_num?=?0;
????semops[0].sem_op?=?0;
????semops[0].sem_flg?=?0;
????if?(semop(semid,?semops,?1)?==?-1)?{
????????perror("semop");
????????exit(1);
????}

????//?在共享內(nèi)存中寫入數(shù)據(jù)
????strncpy(shmaddr,?"Hello,?world!",?SHM_SIZE);

????//?釋放信號量
????semops[0].sem_num?=?0;
????semops[0].sem_op?=?1;
????semops[0].sem_flg?=?0;
????if?(semop(semid,?semops,?1)?==?-1)?{
????????perror("semop");
????????exit(1);
????}

????//?等待信號量
????semops[0].sem_num?=?0;
????semops[0].sem_op?=?0;
????semops[0].sem_flg?=?0;
????if?(semop(semid,?semops,?1)?==?-1)?{
????????perror("semop");
????????exit(1);
????}

????//?從共享內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)
????printf("Received?message:?%s
",?shmaddr);

????//?釋放共享內(nèi)存區(qū)域
????if?(shmdt(shmaddr)?==?-1)?{
????????perror("shmdt");
????????exit(1);
????}

????//?刪除共享內(nèi)存區(qū)域
????if?(shmctl(shmid,?IPC_RMID,?NULL)?==?-1)?{
????????perror("shmctl");
????????exit(1);
????}

????//?刪除信號量
????if?(semctl(semid,?0,?IPC_RMID,?semarg)?==?-1)?{
????????perror("semctl");
????????exit(1);
????}

????return?0;

?

在這個示例程序中，使用了System V信號量來同步共享內(nèi)存的讀寫操作。程序首先創(chuàng)建一個共享內(nèi)存區(qū)域，并將其附加到進程地址空間中。然后，使用semget()函數(shù)創(chuàng)建一個信號量，并將其初始化為1。在寫入共享內(nèi)存數(shù)據(jù)之前，程序使用semop()函數(shù)等待信號量。一旦獲取了信號量的使用權(quán)，程序就可以在共享內(nèi)存區(qū)域中寫入數(shù)據(jù)。寫入數(shù)據(jù)完成后，程序再次使用semop()函數(shù)釋放信號量的使用權(quán)。在讀取共享內(nèi)存數(shù)據(jù)時，程序同樣需要等待信號量的使用權(quán)，讀取數(shù)據(jù)完成后，再次釋放信號量的使用權(quán)。

需要注意的是，使用信號量來同步共享內(nèi)存訪問時，需要確保每個進程都按照一定的順序進行讀寫操作。否則，就可能出現(xiàn)死鎖等問題。因此，在設(shè)計進程間共享內(nèi)存通信時，需要仔細考慮數(shù)據(jù)的讀寫順序，并采取合適的同步機制來確保數(shù)據(jù)的正確性和一致性。

2、互斥鎖同步

互斥量也是一種常用的同步機制，可以用來實現(xiàn)多個進程之間的共享內(nèi)存訪問。在Linux中，可以使用pthread庫中的互斥量來實現(xiàn)進程間共享內(nèi)存的同步。

下面是一個使用互斥量實現(xiàn)共享內(nèi)存同步的示例程序：

?

#include?
#include?
#include?
#include?
#include?
#include?
#include?

#define?SHM_SIZE?1024

//?共享內(nèi)存結(jié)構(gòu)體
typedef?struct?{
????pthread_mutex_t?mutex;
????char?data[SHM_SIZE];
}?shm_data_t;

int?main()?{
????int?fd;
????shm_data_t?*shm_data;
????pthread_mutexattr_t?mutex_attr;
????pthread_mutex_t?*mutex;
????
????//?打開共享內(nèi)存文件
????if?((fd?=?shm_open("/my_shm",?O_CREAT?|?O_RDWR,?0666))?==?-1)?{
????????perror("shm_open");
????????exit(1);
????}

????//?調(diào)整共享內(nèi)存文件大小
????if?(ftruncate(fd,?sizeof(shm_data_t))?==?-1)?{
????????perror("ftruncate");
????????exit(1);
????}

????//?將共享內(nèi)存映射到進程地址空間中
????if?((shm_data?=?mmap(NULL,?sizeof(shm_data_t),?PROT_READ?|?PROT_WRITE,?MAP_SHARED,?fd,?0))?==?MAP_FAILED)?{
????????perror("mmap");
????????exit(1);
????}

????//?初始化互斥量屬性
????pthread_mutexattr_init(&mutex_attr);
????pthread_mutexattr_setpshared(&mutex_attr,?PTHREAD_PROCESS_SHARED);

????//?創(chuàng)建互斥量
????mutex?=?&(shm_data->mutex);
????pthread_mutex_init(mutex,?&mutex_attr);

????//?在共享內(nèi)存中寫入數(shù)據(jù)
????pthread_mutex_lock(mutex);
????sprintf(shm_data->data,?"Hello,?world!");
????pthread_mutex_unlock(mutex);

????//?在共享內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)
????pthread_mutex_lock(mutex);
????printf("Received?message:?%s
",?shm_data->data);
????pthread_mutex_unlock(mutex);

????//?解除共享內(nèi)存映射
????if?(munmap(shm_data,?sizeof(shm_data_t))?==?-1)?{
????????perror("munmap");
????????exit(1);
????}

????//?刪除共享內(nèi)存文件
????if?(shm_unlink("/my_shm")?==?-1)?{
????????perror("shm_unlink");
????????exit(1);
????}

????return?0;
}

?

在這個示例程序中，使用了pthread庫中的互斥量來同步共享內(nèi)存的讀寫操作。程序首先創(chuàng)建一個共享內(nèi)存文件，并將其映射到進程地址空間中。然后，使用pthread_mutex_init()函數(shù)創(chuàng)建一個互斥量，并將其初始化為共享內(nèi)存中的一部分。在寫入共享內(nèi)存數(shù)據(jù)之前，程序使用pthread_mutex_lock()函數(shù)等待互斥量。一旦獲取了互斥量的使用權(quán)，程序就可以在共享內(nèi)存區(qū)域中寫入數(shù)據(jù)。寫入數(shù)據(jù)完成后，程序再次使用pthread_mutex_unlock()函數(shù)釋放互斥量的使用權(quán)。在讀取共享內(nèi)存數(shù)據(jù)之前，程序再次使用pthread_mutex_lock()函數(shù)等待互斥量。一旦獲取了互斥量的使用權(quán)，程序就可以在共享內(nèi)存區(qū)域中讀取數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)完成后，程序再次使用pthread_mutex_unlock()函數(shù)釋放互斥量的使用權(quán)。最后，程序解除共享內(nèi)存映射，并刪除共享內(nèi)存文件。

使用互斥量來同步共享內(nèi)存訪問有以下幾點注意事項：

1、互斥量需要初始化。在創(chuàng)建互斥量之前，需要使用pthread_mutexattr_init()函數(shù)初始化互斥量屬性，并使用pthread_mutexattr_setpshared()函數(shù)將互斥量屬性設(shè)置為PTHREAD_PROCESS_SHARED，以便多個進程可以共享互斥量。

2、在訪問共享內(nèi)存之前，需要使用pthread_mutex_lock()函數(shù)獲取互斥量的使用權(quán)。一旦獲取了互斥量的使用權(quán)，程序才能訪問共享內(nèi)存。在完成共享內(nèi)存的訪問之后，需要使用pthread_mutex_unlock()函數(shù)釋放互斥量的使用權(quán)，以便其他進程可以訪問共享內(nèi)存。

3、互斥量必須存儲在共享內(nèi)存區(qū)域中。在創(chuàng)建互斥量時，需要將其初始化為共享內(nèi)存區(qū)域中的一部分，以便多個進程可以訪問同一個互斥量。

4、程序必須保證互斥量的一致性。多個進程共享同一個互斥量時，必須保證互斥量的一致性。否則，可能會導(dǎo)致多個進程同時訪問共享內(nèi)存區(qū)域，導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤或者系統(tǒng)崩潰。

總之，使用互斥量來同步共享內(nèi)存訪問可以有效地避免多個進程同時訪問共享內(nèi)存區(qū)域的問題，從而保證數(shù)據(jù)的一致性和程序的穩(wěn)定性。在實際編程中，需要根據(jù)具體的需求選擇不同的同步機制，以保證程序的正確性和效率。

3、條件變量同步

在Linux下，可以使用條件變量（Condition Variable）來實現(xiàn)多進程之間的同步。條件變量通常與互斥量（Mutex）結(jié)合使用，以便在共享內(nèi)存區(qū)域中對數(shù)據(jù)進行同步訪問。

條件變量是一種線程同步機制，用于等待或者通知某個事件的發(fā)生。當(dāng)某個進程需要等待某個事件發(fā)生時，它可以通過調(diào)用pthread_cond_wait()函數(shù)來阻塞自己，并將互斥量釋放。一旦事件發(fā)生，其他進程就可以通過調(diào)用pthread_cond_signal()或pthread_cond_broadcast()函數(shù)來通知等待線程。等待線程接收到通知后，會重新獲取互斥量，并繼續(xù)執(zhí)行。

在共享內(nèi)存通信中，可以使用條件變量來實現(xiàn)進程之間的同步。具體操作步驟如下：

初始化互斥量和條件變量。在創(chuàng)建共享內(nèi)存之前，需要使用pthread_mutexattr_init()和pthread_condattr_init()函數(shù)分別初始化互斥量屬性和條件變量屬性。然后，需要使用pthread_mutexattr_setpshared()和pthread_condattr_setpshared()函數(shù)將互斥量屬性和條件變量屬性設(shè)置為PTHREAD_PROCESS_SHARED，以便多個進程可以共享它們。

等待條件變量。在讀取共享內(nèi)存之前，程序可以使用pthread_cond_wait()函數(shù)等待條件變量。調(diào)用pthread_cond_wait()函數(shù)會自動釋放互斥量，并阻塞當(dāng)前進程。一旦其他進程發(fā)送信號通知條件變量發(fā)生變化，等待線程就會重新獲得互斥量，并繼續(xù)執(zhí)行。

發(fā)送信號通知條件變量變化。在向共享內(nèi)存中寫入數(shù)據(jù)之后，程序可以使用pthread_cond_signal()或pthread_cond_broadcast()函數(shù)發(fā)送信號通知條件變量發(fā)生變化。調(diào)用pthread_cond_signal()函數(shù)會發(fā)送一個信號通知等待線程條件變量發(fā)生變化，而調(diào)用pthread_cond_broadcast()函數(shù)會向所有等待線程發(fā)送信號通知條件變量發(fā)生變化。

使用條件變量來同步共享內(nèi)存訪問有以下幾點注意事項：

1、程序必須使用互斥量來保護共享內(nèi)存。在使用條件變量之前，程序必須先獲取互斥量的使用權(quán)，以便保護共享內(nèi)存區(qū)域中的數(shù)據(jù)不被多個進程同時訪問。

2、程序必須保證條件變量的一致性。多個進程共享同一個條件變量時，必須保證條件變量的一致性。否則，可能會導(dǎo)致多個進程同時訪問共享內(nèi)存區(qū)域，導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤或者系統(tǒng)崩潰。

3、程序必須正確使用條件變量。在使用條件變量時，需要正確地使用pthread_cond_wait()、pthread_cond_signal()和pthread_cond_broadcast()函數(shù)，否則可能會導(dǎo)致死鎖或者其他問題。

4、程序必須正確處理信號。當(dāng)調(diào)用pthread_cond_wait()函數(shù)時，程序可能會因為接收到信號而提前返回，此時程序需要正確地處理信號。

下面是一個使用條件變量實現(xiàn)進程間共享內(nèi)存同步的示例代碼：

?

#include?
#include?
#include?
#include?
#include?
#include?
#include?

#define?SHM_SIZE?4096
#define?SHM_NAME?"/myshm"
#define?SEM_NAME?"/mysem"

typedef?struct?{
????pthread_mutex_t?mutex;
????pthread_cond_t?cond;
????char?buffer[SHM_SIZE];
}?shm_t;

int?main(int?argc,?char?*argv[])?{
????int?fd,?pid;
????shm_t?*shm;
????pthread_mutexattr_t?mutex_attr;
????pthread_condattr_t?cond_attr;

????//?創(chuàng)建共享內(nèi)存區(qū)域
????fd?=?shm_open(SHM_NAME,?O_CREAT?|?O_RDWR,?S_IRUSR?|?S_IWUSR);
????if?(fd?mutex,?&mutex_attr);
????pthread_cond_init(&shm->cond,?&cond_attr);

????//?創(chuàng)建子進程
????pid?=?fork();
????if?(pid?mutex);
????????sprintf(shm->buffer,?"Hello,?world!");
????????pthread_cond_signal(&shm->cond);
????????pthread_mutex_unlock(&shm->mutex);
????????exit(0);
????}?else?{
????????//?父進程讀取共享內(nèi)存
????????pthread_mutex_lock(&shm->mutex);
????????pthread_cond_wait(&shm->cond,?&shm->mutex);
????????printf("Received?message:?%s
",?shm->buffer);
????????pthread_mutex_unlock(&shm->mutex);
????}

????//?刪除共享內(nèi)存
????if?(shm_unlink(SHM_NAME)?

	?

	在這個示例中，程序創(chuàng)建了一個名為"/myshm"的共享內(nèi)存區(qū)域，并將其映射到進程地址空間中。然后，程序使用互斥量和條件變量來同步進程之間的訪問共享內(nèi)存區(qū)域。具體來說，父進程首先鎖定互斥量，然后等待條件變量的信號。子進程等待一秒鐘后，鎖定互斥量，將"Hello, world!"字符串寫入共享內(nèi)存區(qū)域，然后發(fā)送條件變量信號，并釋放互斥量。此時，父進程將收到條件變量信號并鎖定互斥量，讀取共享內(nèi)存區(qū)域中的內(nèi)容，并釋放互斥量。

	需要注意的是，在使用條件變量時，我們需要遵循一些規(guī)則來保證程序的正確性，如在等待條件變量時必須鎖定互斥量，并使用while循環(huán)來檢查條件變量的值是否滿足要求，等待條件變量信號的線程必須在等待之前鎖定互斥量，在等待之后解鎖互斥量，等待條件變量信號的線程可能會因為接收到信號而提前返回等等。

	總之，使用互斥量和條件變量來實現(xiàn)進程間共享內(nèi)存通信的同步，需要我們仔細考慮程序中所有可能出現(xiàn)的情況，并正確地使用互斥量和條件變量函數(shù)來同步進程之間的訪問。

	小結(jié)

	好了，這次我們通過Linux下進程間共享內(nèi)存通信方式講解了常用的同步機制：信號量、互斥鎖、條件變量。希望對小伙伴們在日常的編程當(dāng)中有所幫助。

	　　審核編輯：湯梓紅

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