从表面上看,UNIX? 应用程序单独控制底层主机。它随时可以访问处理器,它的内存是神圣不可侵犯的,连接它的设备只为它服务。但是表面现象会骗人,这样有如君主一般的绝对地位只是幻想而已。UNIX 系统同时运行大量应用程序,有限的物理资源要在它们之间共享。处理器能力被划分为时间片,应用程序映像经常被换入和换出真实内存,设备访问由需求驱动,还受到访问权限的限制。尽管您的 shell 提示符不断闪烁,但是 UNIX 系统并非只是等着您发出命令,在幕后有许多活动正在进行。 常用缩略词
尽管涉及一些复杂的机制,但是大多数应用程序不会注意到资源实际上是共享的,它们似乎是独享资源。但是,可以编写相互交互的应用程序。例如,一个应用程序收集或生成数据,而另一个应用程序同时监视进度并分析信息。另一个例子是即时交换消息的聊天系统,其中有两个对等的应用程序相互收发数据。Secure Shell (ssh) 也是这样,它可以在两个完全不同的主机之间进行协作。在这些情况下,代码都要连接另一段独立的代码以交换信息,这常常需要使用某种协议协商和控制交换过程。 UNIX 为实现这样的进程间通信 提供了多种技术。一些技术提供同一主机上的进程间通信,其他技术可以实现主机到主机的信息交换。另外,各种技术的速度不同,所以必须选择最合适自己需求的技术。还必须进行协调(实施时间控制和排他控制)。例如,如果一个应用程序产生数据,另一个应用程序消费数据,那么当读完共享池时消费者必须停下来等待生产者。另一方面,如果消费者无法足够快地读取池,生产者必须慢下来或暂停。 表 1 总结在典型的 UNIX 系统上可用的进程间通信形式。 表 1. UNIX 中的进程间通信
正如前面提到的,每种技术满足不同的需求。假设多个进程之间的协作的复杂性大体相当,每种方法的优点和缺点如下:
现在不考虑主机间 应用程序通信,看看如何通过共享内存在同一主机上进行进程间通信。 共享内存的工作方式顾名思义,共享内存让一段内存可供多个进程访问。用特殊的系统调用(即对 UNIX 内核的请求)分配和释放内存并设置权限;通过一般的读写操作读写内存段中的数据。 共享内存并不是从某一进程拥有的内存中划分出来的;进程的内存总是私有的。共享内存是从系统的空闲内存池中分配的,希望访问它的每个进程连接它。这个连接过程称为映射,它给共享内存段分配每个进程的地址空间中的本地地址。图 1、图 2、图 3 和 图 4 说明此过程:
这些图中所示的许多工作可以通过 UNIX 共享内存 API 执行。实际上,有两套共享内存 API:POSIX API 和比较老(但是仍然有效)的 System V API。因为 POSIX 是 UNIX 和 Linux? 及其衍生系统上的公认标准,所以我们使用此版本。另外,POSIX API 使用简单的文件描述符执行读写,大家应该更熟悉。 POSIX 为创建、映射、同步和取消共享内存段提供五个入口点:
使用共享内存的过程是,用 示例应用程序清单 1 给出一个简单的共享内存示例。(代码取自 John Fusco 撰写的 The Linux Programmer's Toolbox 一书 [由 Prentice Hall Professional 于 2007 年 3 月出版,ISBN 0132198576],已经得到出版商的使用授权。)代码实现通过共享内存段通信的父进程和子进程。 清单 1. 共享内存示例#include <stdio.h> #include <string.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <sys/file.h> #include <sys/mman.h> #include <sys/wait.h> void error_and_die(const char *msg) { perror(msg); exit(EXIT_FAILURE); } int main(int argc, char *argv[]) { int r; const char *memname = "sample"; const size_t region_size = sysconf(_SC_PAGE_SIZE); int fd = shm_open(memname, O_CREAT | O_TRUNC | O_RDWR, 0666); if (fd == -1) error_and_die("shm_open"); r = ftruncate(fd, region_size); if (r != 0) error_and_die("ftruncate"); void *ptr = mmap(0, region_size, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0); if (ptr == MAP_FAILED) error_and_die("mmap"); close(fd); pid_t pid = fork(); if (pid == 0) { u_long *d = (u_long *) ptr; *d = 0xdbeebee; exit(0); } else { int status; waitpid(pid, &status, 0); printf("child wrote %#lx\n", *(u_long *) ptr); } r = munmap(ptr, region_size); if (r != 0) error_and_die("munmap"); r = shm_unlink(memname); if (r != 0) error_and_die("shm_unlink"); return 0; } 下面是代码中的一些要点:
这个示例非常简单。真实的应用程序会使用信号量或其他技术控制对共享内存段的读写。这种控制通常因应用程序而异,如果您的 UNIX 版本不是开放源码的,可以在 Berkeley Software Distribution (BSD) 和 Linux 源代码中找到许多示例。 结束语因为 UNIX 同时运行许多应用程序,所以它是非常适合监视、数据收集、协作和分布式计算以及客户机-服务器应用程序的平台。共享内存是速度最快的进程间通信技术,而且非常灵活。还可以把文件映射到内存,这是加快数据访问的理想解决方案。 参考资料学习
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