Linux進(jìn)程間共享內(nèi)存通信時如何同步？(附源碼)

2023-07-31 16:13:07 | 來源:嗶哩嗶哩 |

今天我們來講講進(jìn)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(jìn)行同步?

在Linux中，進(jìn)程間的共享內(nèi)存通信需要通過同步機(jī)制來保證數(shù)據(jù)的正確性和一致性，常用的同步機(jī)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(jìn)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(hù)共享內(nèi)存區(qū)域的讀寫操作。在訪問共享內(nèi)存之前，進(jìn)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(jìn)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：

(資料圖片)

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(jìn)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(jìn)程都按照一定的順序進(jìn)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(jìn)程間共享內(nèi)存通信時，需要仔細(xì)考慮數(shù)據(jù)的讀寫順序，并采取合適的同步機(jī)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(jī)制，可以用來實現(xiàn)多個進(jìn)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(jìn)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：

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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)制，以保證程序的正確性和效率。

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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(jìn)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(jìn)行同步訪問。

條件變量是一種線程同步機(jī)制，用于等待或者通知某個事件的發(fā)生。當(dāng)某個進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)程。一旦其他進(jìn)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(hù)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(hù)共享內(nèi)存區(qū)域中的數(shù)據(jù)不被多個進(jìn)程同時訪問。

2、程序必須保證條件變量的一致性。多個進(jìn)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(jìn)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(jìn)程間共享內(nèi)存同步的示例代碼：

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(jìn)程地址空間中。然后，程序使用互斥量和條件變量來同步進(jìn)程之間的訪問共享內(nèi)存區(qū)域。具體來說，父進(jìn)程首先鎖定互斥量，然后等待條件變量的信號。子進(jìn)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(jìn)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(jìn)程間共享內(nèi)存通信的同步，需要我們仔細(xì)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(jìn)程之間的訪問。