Linux IPC实践(13) --System V IPC综合实践
实践:实现一个先进先出的共享内存shmfifo
使用消息队列即可实现消息的先进先出(FIFO), 但是使用共享内存实现消息的先进先出则更加快速;
我们首先完成C语言版本的shmfifo(基于过程调用), 然后在此基础上实现C++版本的ShmFifo, 将1块共享内存与3个信号量(1个mutext信号量, 1个full信号量, 1个empty信号量)封装成一个类ShmFifo, 然后编写各自的测试代码;
shmfifo说明:
将申请到的共享内存作为一块缓冲区, 将该内存的首部(p_shm到p_payload的内容)格式化为如上图所示的形式;
读/写进程不断的按照现金先出的原则从其中读出/写入数据, 则读/写进程就可以看成生产者/消费者了, 因此,使用信号量sem_mutex(初值为1)来互斥访问共享内存, 使用sem_full(初值为共享缓冲区块数), sem_empty(初值为0)来同步两个进程.
C版本:
//结构体类型定义 typedef struct shmhead shmhead_t; typedef struct shmfifo shmfifo_t; //共享内存首部定义 struct shmhead { unsigned int blksize; //块大小 unsigned int blocks; //总块数 unsigned int rd_index; //读索引块 unsigned int wr_index; //写索引块 }; //整个shmfifo句柄 struct shmfifo { shmhead_t *p_shm; //共享内存头部指针 char *p_payload; //有效负载其实地址 int shmid; //共享内存ID int sem_mutex; //互斥信号量 int sem_full; //满信号量 int sem_empty; //空信号量 };
/**shmfifo初始化 既包含了共享内存的初始化, 也包含了三个信号量的初始化; 小技巧: 对一个IPC对象首先尝试打开, 如果打开失败, 则表示该IPC对象尚未创建, 则需要创建之, 而如果打开成功的话, 则进行其他操作 **/ shmfifo_t *shmfifo_init(int key, int blksize, int blocks) { shmfifo_t *fifo = (shmfifo_t *)malloc(sizeof(shmfifo_t)); assert(fifo != NULL); memset(fifo, 0, sizeof(shmfifo_t)); // 尝试打开共享内存 int shmid = shmget(key, 0, 0); // 如果打开失败, 则表示该共享内存尚未创建, 则创建 if (shmid == -1) { /** 设置共享内存 **/ int size = blksize*blocks + sizeof(shmhead_t); //创建共享内存 fifo->shmid = shmget(key, size, IPC_CREAT|0666); if (fifo->shmid == -1) err_exit("shmget error"); //创建共享内存成功, 则需要将其连接到进程的地址空间 //void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg); fifo->p_shm = (shmhead_t *)shmat(fifo->shmid, NULL, 0); if (fifo->p_shm == (void *) -1) err_exit("shmat error"); //将共享内存的首部初始化为struct shmhead fifo->p_shm->blksize = blksize; fifo->p_shm->blocks = blocks; fifo->p_shm->rd_index = 0; fifo->p_shm->wr_index = 0; fifo->p_payload = (char *)(fifo->p_shm+1); /** 设置三个信号量 **/ fifo->sem_mutex = sem_create(key); sem_setval(fifo->sem_mutex, 1); fifo->sem_full = sem_create(key+1); sem_setval(fifo->sem_full, 10); fifo->sem_empty = sem_create(key+2); sem_setval(fifo->sem_empty, 0); } else { fifo->shmid = shmid; //共享内存已经存在, 并且打开成功, 则需要将其连接到进程的地址空间 fifo->p_shm = (shmhead_t *)shmat(fifo->shmid, NULL, 0); if (fifo->p_shm == (void *) -1) err_exit("shmat error"); fifo->p_payload = (char *)(fifo->p_shm+1); /** 设置三个信号量 **/ fifo->sem_mutex = sem_open(key); fifo->sem_full = sem_open(key+1); fifo->sem_empty = sem_open(key+2); } return fifo; }
/**shmfifo的销毁 既要销毁共享内存, 也要销毁三个信号量, 还需要将malloc出来的shmfifo_t结构体释放掉 **/ void shmfifo_destroy(shmfifo_t *fifo) { //释放三个信号量 sem_delete(fifo->sem_mutex); sem_delete(fifo->sem_full); sem_delete(fifo->sem_empty); //分离内存 shmdt(fifo->p_shm); //删除共享内存 if (shmctl(fifo->shmid, IPC_RMID, NULL) == -1) err_exit("remove share memory error"); //将fifo内存释放 free(fifo); }
/**将buf内容按照顺序写入共享内存 注意此处的P,V操作并没有使用SEM_UNDO标记 **/ void shmfifo_put(shmfifo_t *fifo, const void *buf) { sem_P(fifo->sem_full); sem_P(fifo->sem_mutex); //从结构体中获取写入位置 char *index = fifo->p_payload + (fifo->p_shm->wr_index * fifo->p_shm->blksize); memcpy(index, buf, fifo->p_shm->blksize); fifo->p_shm->wr_index = (fifo->p_shm->wr_index+1)%fifo->p_shm->blocks; sem_V(fifo->sem_mutex); sem_V(fifo->sem_empty); }
/**将共享内存中的内容按照顺序读出到buf 注意此处的P,V操作并没有使用SEM_UNDO标记 **/ void shmfifo_get(shmfifo_t *fifo, void *buf) { sem_P(fifo->sem_empty); sem_P(fifo->sem_mutex); //从结构体中获取读出位置 char *index = fifo->p_payload + (fifo->p_shm->rd_index * fifo->p_shm->blksize); memcpy(buf, index, fifo->p_shm->blksize); fifo->p_shm->rd_index = (fifo->p_shm->rd_index+1)%fifo->p_shm->blocks; sem_V(fifo->sem_mutex); sem_V(fifo->sem_full); }
/**测试代码: write.cpp**/ struct Student { char name[32]; int age; }; int main() { shmfifo_t *fifo = shmfifo_init(1234, sizeof(Student), 15); Student s; bzero(&s, sizeof(s)); strcpy(s.name, "xiaofang"); for (int i = 0; i < 15; ++i) { sprintf(&(s.name[8]), "%d", i); s.age = i; shmfifo_put(fifo, &s); cout << "put success" << endl; } }
/**测试代码: read.cpp**/ int main() { shmfifo_t *fifo = shmfifo_init(1234, sizeof(Student), 3); Student s; for (int i = 0; i < 5; ++i) { bzero(&s, sizeof(s)); shmfifo_get(fifo, &s); printf("name: %s, age = %d\n", s.name, s.age); } return 0; }
/**测试代码: 销毁所创建的共享内存与信号量, free**/ int main() { shmfifo_t *fifo = shmfifo_init(1234, sizeof(Student), 3); shmfifo_destroy(fifo); return 0; }
完整C源代码:http://download.csdn.net/detail/hanqing280441589/8437855
C++版本:
//ShmFifo类设计 class ShmFifo { public: ShmFifo(int _key, int _blksize, int _blocks); ~ShmFifo(); void put(const void *buf); void get(void *buf); void destroy(); private: typedef struct shmhead { unsigned int blksize; //块大小 unsigned int blocks; //总块数 unsigned int rd_index; //读索引块 unsigned int wr_index; //写索引块 } shmhead_t; private: shmhead_t *p_shm; //共享内存头部指针 char *p_payload; //有效负载其实地址 int shmid; //共享内存ID int sem_mutex; //互斥信号量 int sem_full; //满信号量 int sem_empty; //空信号量 };
/** 构造函数 **/ ShmFifo::ShmFifo(int _key, int _blksize, int _blocks) { // 打开一块共享内存 shmid = shmget(_key, 0, 0); // 如果打开失败, 则表示该共享内存尚未创建, 则创建之 if (shmid == -1) { /** 设置共享内存 **/ int size = _blksize*_blocks + sizeof(shmhead_t); //创建共享内存 shmid = shmget(_key, size, IPC_CREAT|0666); if (shmid == -1) err_exit("shmget error"); //创建共享内存成功, 则需要将其连接到进程的地址空间 p_shm = (shmhead_t *)shmat(shmid, NULL, 0); if (p_shm == (void *) -1) err_exit("shmat error"); //将共享内存的首部初始化为struct shmhead p_shm->blksize = _blksize; p_shm->blocks = _blocks; p_shm->rd_index = 0; p_shm->wr_index = 0; p_payload = (char *)(p_shm+1); /** 设置三个信号量 **/ sem_mutex = sem_create(_key); sem_setval(sem_mutex, 1); sem_full = sem_create(_key+1); sem_setval(sem_full, _blocks); sem_empty = sem_create(_key+2); sem_setval(sem_empty, 0); } else { //共享内存已经存在, 并且打开成功, 则只需需将其连接到进程的地址空间 p_shm = (shmhead_t *)shmat(shmid, NULL, 0); if (p_shm == (void *) -1) err_exit("shmat error"); p_payload = (char *)(p_shm+1); /** 打开三个信号量 **/ sem_mutex = sem_open(_key); sem_full = sem_open(_key+1); sem_empty = sem_open(_key+2); } } /** 析构函数 **/ ShmFifo::~ShmFifo() { shmdt(p_shm); //将共享内存卸载 p_shm = NULL; p_payload = NULL; }
/** destroy函数 **/ void ShmFifo::destroy() { sem_delete(sem_mutex); sem_delete(sem_full); sem_delete(sem_empty); if (shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1) err_exit("remove share memory error"); }
/** put函数 **/ void ShmFifo::put(const void *buf) { sem_P(sem_full); sem_P(sem_mutex); /** 进入临界区 **/ //从结构体中获取写入位置 char *index = p_payload + (p_shm->wr_index * p_shm->blksize); //写入 memcpy(index, buf, p_shm->blksize); //index后移 p_shm->wr_index = (p_shm->wr_index+1)%p_shm->blocks; /** 退出临界区 **/ sem_V(sem_mutex); sem_V(sem_empty); }
/** get函数 **/ void ShmFifo::get(void *buf) { sem_P(sem_empty); sem_P(sem_mutex); /** 进入临界区 **/ //从结构体中获取读出位置 char *index = p_payload + (p_shm->rd_index * p_shm->blksize); //读取 memcpy(buf, index, p_shm->blksize); p_shm->rd_index = (p_shm->rd_index+1)%p_shm->blocks; /** 退出临界区 **/ sem_V(sem_mutex); sem_V(sem_full); }
完整C++源代码:http://download.csdn.net/download/hanqing280441589/8438025
附-Makefile, 两个程序都可以使用该文件
.PHONY: clean all CC = g++ CPPFLAGS = -Wall -g BIN = write read free SOURCES = $(BIN.=.cpp) all: $(BIN) %.o: %.cpp $(CC) $(CPPFLAGS) -c $^ -o $@ write: write.o shmfifo.o ipc.o $(CC) $(CPPFLAGS) $^ -lrt -o $@ read: read.o shmfifo.o ipc.o $(CC) $(CPPFLAGS) $^ -lrt -o $@ free: free.o shmfifo.o ipc.o $(CC) $(CPPFLAGS) $^ -lrt -o $@ clean: -rm -rf $(BIN) *.o bin/ obj/ core
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