Разделяемая память
Операции с разделяемой памятью позволяют двум и более процессам совместно использовать область физической памяти (общеизвестно, что обычно области данных любых двух программ совершенно отделены друг от друга). Чаще всего разделяемая память является наиболее производительным механизмом межпроцессного взаимодействия.
Для того, чтобы сегмент памяти мог использоваться совместно, он должен быть сначала создан при помощи системного вызова shmget. После создания сегмента разделяемой памяти процесс может подключаться к нему при помощи вызова shmat и затем использовать его для своих частных целей. Когда этот сегмент памяти больше не нужен, процесс может отключиться от него при помощи вызова shmdt.
Системный вызов shmget
Сегменты разделяемой памяти создаются при помощи вызова shmget.
Описание
#include <sys/shm.h>
Int shmget(key_t key, size_t size,
int permflags);
Этот вызов аналогичен вызовам msgget и semget. Наиболее интересным параметром вызова является size,который задает требуемый минимальный размер (в байтах) сегмента памяти. Параметр key является значением ключа сегмента памяти, параметр permflags задает права доступа к сегменту памяти и, кроме того, может содержать флаги IPC_CREAT и IPC_EXCL.
Операции с разделяемой памятью: вызовы shmat и shmdt
Сегмент памяти, созданный вызовом shmget, является участком физической памяти и не находится в логическом пространстве данных процесса. Для использования разделяемой памяти текущий процесс, а также все другие процессы, взаимодействующие с этим сегментом, должны явно подключать этот участок памяти к логическому адресному пространству при помощи вызова shmat:
Описание
#include <sys/shm.h>
void *shmat(int shmid, const void *daddr,
int shmflags);
Вызов shmat связывает участок памяти, обозначенный идентификатором shmid (который был получен в результате вызова shmget) с некоторым допустимым адресом логического адресного пространства вызывающего процесса. Этот адрес является значением, возвращаемым вызовом shmat (в языке C такие адреса данных обычно представляются типом void *).
Параметр daddr позволяет программисту до некоторой степени управлять выбором этого адреса. Если этот параметр равен NULL, то участок подключается к первому доступному адресу, выбранному системой. Это наиболее простой случай использования вызова shmat. Если параметр daddr не равен NULL, то участок будет подключен к содержащемуся в нем адресу или адресу в ближайшей окрестности в зависимости от флагов, заданных в аргументе shmflags. Этот вариант сложнее, так как при этом необходимо знать расположение программы в памяти.
Аргумент shmflag может содержать два флага, SHM_RDONLY и SHM_RND, определенные в заголовочном файле <sys/shm.h>. При задании флага SHM_RDONLY участок памяти подключается только для чтения. Флаг SHM_RMD определяет, если это возможно, способ обработки в вызове shmat ненулевого значения daddr.
Если shmaddr не равен NULL, а в поле shmflg включен флаг SHM_RND, то подстыковка производится по адресу shmaddr, округленному вниз до ближайшего кратного SHMLBA. В противном случае shmaddr должен быть округленным до размера страницы адресом, к которому производится подстыковка.
В случае ошибки вызов shmat вернет значение:
(void *)-1
Вызов shmdt противоположен вызову shmat и отключает участок разделяемой памяти от логического адресного пространства процесса (это означает, что процесс больше не может использовать его). Он вызывается очень просто:
retval = shmdt(memptr);
Возвращаемое значение retval является целым числом и равно 0 в случае успеха и -1 - в случае ошибки.
Системный вызов shmctl
Описание
#include <sys/shm.h>
int shmctl(int shmid, int command,
struct shmid_ds *shm_stat);
Этот вызов в точности соответствует вызову msgctl, и параметр command может, наряду с другими, принимать значения IPC_STAT, IPC_SET и IPC_RMID. В следующем примере этот вызов будет использован с аргументом command равным IPC_RMID.
Пример работы с разделяемой памятью: программа shmcopy
В этом разделе создадим простую программу shmcopy для демонстрации практического использования разделяемой памяти. Программа shmcopy просто копирует данные со своего стандартного ввода на стандартный вывод, но позволяет избежать лишних простоев в вызовах read и write. При запуске программы shmcopy создаются два процесса, один из которых выполняет чтение, а другой - запись, и которые совместно используют два буфера, реализованные в виде сегментов разделяемой памяти. Когда первый процесс считывает данные в первый буфер, второй записывает содержимое второго буфера, и наоборот. Так как чтение и запись выполняются одновременно, пропускная способность возрастает. Этот подход используется, например, в программах, которые выводят информацию на ленточный накопитель.
Для согласования двух процессов (чтобы записывающий процесс не писал в буфер до тех пор, пока считывающий процесс его не заполнит) будем использовать два семафора. Почти во всех программах, использующих разделяемую память, требуется дополнительная синхронизация, так как механизм разделяемой памяти не содержит собственных средств синхронизации.
Программа shmcopy использует следующий заголовочный файл share_ex.h: /* Заголовочный файл для примера работы с разделяемой памятью */
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#define SHMKEY1 (key_t)0x10 /* Ключ разделяемой памяти */
#define SHMKEY2 (key_t)0x15 /* Ключ разделяемой памяти */
#define SEMKEY (key_t)0x20 /* Ключ семафора */
/* Размер буфера для чтения и записи */
#define SIZ 5*BUFSIZ
/* В этой структуре будут находиться данные и счетчик чтения */
Struct databuf
{
int d_nread;
char d_buf[SIZ];
};
int fatal(char *s)
{ perror(s); exit(1); }
Постоянная BUFSIZ определена в файле <stdio.h> и задает оптимальный размер порций данных при работе с файловой системой. Шаблон databuf показывает структуру, которая связывается с каждым сегментом разделяемой памяти. В частности, элемент d_nread позволит процессу, выполняющему чтение, передавать другому, осуществляющему запись, через участок разделяемой памяти число считанных символов.
Следующий файл содержит процедуры для инициализации двух участков разделяемой памяти и набора семафоров. Он также содержит процедуру remobj, которая удаляет различные объекты межпроцессного взаимодействия в конце работы программы. Следует обратить внимание на способ вызова shmat для подключения участков разделяемой памяти к адресному пространству процесса.
/* Процедуры инициализации */
#include "share_ex.h"
#define IFLAGS (IPC_CREAT | IPC_EXCL)
#define ERR ((struct databuf *) -1)
static int shmid1, shmid2, semid;
void getseg(struct databuf **p1, struct databuf **p2)
{
/* Создать участок разделяемой памяти */
if((shmid1 = shmget(SHMKEY1, sizeof(struct databuf),
0600 | IFLAGS)) == -1)
fatal("shmget");
if((shmid2 = shmget(SHMKEY2, sizeof(struct databuf),
0600 | IFLAGS)) == -1)
fatal("shmget");
/* Подключить участки разделяемой памяти */
if((*p1 = (struct databuf *)shmat(shmid1,0,0)) == ERR)
fatal ("shmat");
if((*p2 = (struct databuf *)shmat(shmid2,0,0)) == ERR)
fatal ("shmat");
}
int getsem(void) /* Получить набор семафоров */
{
union semun x;
x.val = 0;
/* Создать два набора семафоров */
if((semid = semget(SEMKEY, 2, 0600 | IFLAGS)) == -1)
fatal("semget");
/* Задать начальные значения */
if(semctl(semid, 0, SETVAL, x) == -1) fatal("semctl");
if(semctl(semid, 1, SETVAL, x) == -1) fatal("semctl");
return(semid);
}
/* Удалить идентификаторы разделяемой памяти
и идентификатор набора семафоров */
Void remobj(void)
{
if(shmctl(shmid1, IPC_RMID, NULL) == -1) fatal("shmctl");
if(shmctl(shmid2, IPC_RMID, NULL) == -1) fatal("shmctl");
if(semctl(semid, 0, IPC_RMID, NULL) == -1)fatal("semctl");
}
Ошибки в этих процедурах обрабатываются при помощи процедуры fatal, которая использовалась в предыдущих примерах. Она просто вызывает perror, а затем exit.
Ниже следует функция main для программы strcopy. Она вызывает процедуры инициализации, а затем создает процесс для чтения (родительский) и для записи (дочерний). Обратите внимание на то, что именно выполняющий запись процесс вызывает процедуру remobj при завершении программы.
/* Программа shmcopy - функция main */
#nclude "share_ex.h"
Main()
{
int semid;
pid_t pid;
struct databuf *buf1, *buf2;
/* Инициализация набора семафоров */
semid = getsem();
/* Создать и подключить участки разделяемой памяти */
getseg(&buf1, &buf2);
switch (pid = fork()){
case -1:
fatal("fork");
case 0: /* Дочерний процесс */
writer(semid, buf1, buf2);
remobj();
break;
default: /* Родительский процесс */
reader(semid, buf1, buf2);
break;
}
exit (0);
}
Функция main создает объекты межпроцессного взаимодействия до вызова fork. Обратите внимание на то, что адреса, определяющие сегменты разделяемой памяти (которые находятся в переменных buf1 и buf 2), будут заданы в обоих процессах.
Процедура reader принимает данные со стандартного ввода, то есть из дескриптора файла 0, и является первой функцией, представляющей интерес. Ей передается идентификатор набора семафоров в параметре semid и адреса двух участков разделяемой памяти в переменных buf1 и buf2.
/* Процедура reader - выполняет чтение из файла */
#include "share_ex.h"
/* Определения процедур р() и v() для двух семафоров */
struct sembuf p1 = {0,-1,0}, p2 = {1,-1,0};
struct sembuf v1 = {0,1,0}, v2 = {1,1,0};
void reader(int semid, struct databuf *buf1,
struct databuf *buf2)
{
For(;;)
{
/* Считать в буфер buf1 */
buf1->d_nread = read(0, buf1->d_buf, SIZ);
/* Точка синхронизации */
semop(semid, &v1, 1);
semop(semid, &p2, 1);
/* Чтобы процедура writer не была приостановлена */
if (buf1->d_nread <=0)
return;
buf2->d_nread = read(0, buf2->d_buf, SIZ);
semop(semid, &v2, 1);
semop(semid, &p1, 1);
if (buf2->d_nread <=0)
return;
}
}
Структуры sembuf просто определяют операции p () и v () для набора из двух семафоров. Но на этот раз они используются не для блокировки критических участков кода, а для синхронизации процедур, выполняющих чтение и запись. Процедура reader использует операцию v2 для сообщения о том, что она завершила чтение и ожидает, вызвав semop с параметром p1, пока процедура writer не сообщит о завершении записи. Это станет более очевидным при описании процедуры writer. Возможны другие подходы, включающие или четыре бинарных семафора, или семафоры, имеющие более двух значений.
Последней процедурой, вызываемой программой shmcopy, является процедура writer:
/* Процедура writer - выполняет запись */
#include "share_ex.h"
extern struct sembuf p1, p2; /* Определены в reader.с */
extern struct sembuf v1, v2; /* Определены в reader.с */
void writer(int semid, struct databuf *buf1,
struct databuf *buf2)
{
For(;;)
{
semop(semid, &p1, 1);
semop(semid, &v2, 1);
if(buf1->d_nread <= 0)
return;
write(1, buf1->d_buf, buf1->d_nread);
semop(semid, &p2, 1);
semop(semid, &v1, 1);
if(buf2->d_nread <= 0)
return;
write(1, buf2->d_buf, buf2->d_nread);
}
}
И снова следует обратить внимание на использование набора семафоров для согласования работы процедур reader и writer. На этот раз процедура writer использует операцию v2 для сигнализации и ждет p1. Важно также отметить, что значения bufl->d_nread и buf2->d_nread устанавливаются процессом, выполняющим чтение.
После компиляции можно использовать программу shmcopy при помощи подобной команды:
$ shmcopy < big > /tmp/big.
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, int size, int shmflg );
ОПИСАНИЕ
shmget() возвращает идентификатор разделяемому сегменту памяти, соответствующий значению аргумента key. Создается новый разделяемый сегмент памяти с размером size (округленным до размера, кратного PAGE_SIZE), если значение key равно IPC_PRIVATE или если значение key не равно IPC_PRIVATE и нет идентификатора, соответствующего key; причем, выражение shmflg &IPC_CREAT истинно. Поле
shmflg состоит из:
IPC_CREAT
служит для создания нового сегмента. Если этого флага нет, то функция shmget() будет искать сегмент, соответствующий ключу key и затем проверит, имеет ли пользователь права на доступ к сегменту.
IPC_EXCL
используется совместно с IPC_CREAT для того, чтобы не создавать существующий сегмент заново.