Linux下的进程间通信：共享存储

学习在 Linux 中进程是如何与其他进程进行同步的。

本篇是 Linux 下进程间通信（IPC）系列的第一篇文章。这个系列将使用 C 语言代码示例来阐明以下 IPC 机制：

• 共享文件
• 共享内存（使用信号量）
• 管道（命名的或非命名的管道）
• 消息队列
• 套接字
• 信号

在聚焦上面提到的共享文件和共享内存这两个机制之前，这篇文章将带你回顾一些核心的概念。

核心概念

进程是运行着的程序，每个进程都有着它自己的地址空间，这些空间由进程被允许访问的内存地址组成。进程有一个或多个执行线程，而线程是一系列执行指令的集合：单线程进程就只有一个线程，而多线程的进程则有多个线程。一个进程中的线程共享各种资源，特别是地址空间。另外，一个进程中的线程可以直接通过共享内存来进行通信，尽管某些现代语言（例如 Go）鼓励一种更有序的方式，例如使用线程安全的通道。当然对于不同的进程，默认情况下，它们不能共享内存。

有多种方法启动之后要进行通信的进程，下面所举的例子中主要使用了下面的两种方法：

• 一个终端被用来启动一个进程，另外一个不同的终端被用来启动另一个。
• 在一个进程（父进程）中调用系统函数 fork，以此生发另一个进程（子进程）。

第一个例子采用了上面使用终端的方法。这些代码示例的 ZIP 压缩包可以从我的网站下载到。

共享文件

程序员对文件访问应该都已经很熟识了，包括许多坑（不存在的文件、文件权限损坏等等），这些问题困扰着程序对文件的使用。尽管如此，共享文件可能是最为基础的 IPC 机制了。考虑一下下面这样一个相对简单的例子，其中一个进程（生产者 producer）创建和写入一个文件，然后另一个进程（消费者 consumer）从这个相同的文件中进行读取：

          writes +-----------+ reads
producer-------->| disk file |<-------consumer
                 +-----------+

在使用这个 IPC 机制时最明显的挑战是竞争条件可能会发生：生产者和消费者可能恰好在同一时间访问该文件，从而使得输出结果不确定。为了避免竞争条件的发生，该文件在处于读或写状态时必须以某种方式处于被锁状态，从而阻止在写操作执行时和其他操作的冲突。在标准系统库中与锁相关的 API 可以被总结如下：

• 生产者应该在写入文件时获得一个文件的排斥锁。一个排斥锁最多被一个进程所拥有。这样就可以排除掉竞争条件的发生，因为在锁被释放之前没有其他的进程可以访问这个文件。
• 消费者应该在从文件中读取内容时得到至少一个共享锁。多个读取者可以同时保有一个共享锁，但是没有写入者可以获取到文件内容，甚至在当只有一个读取者保有一个共享锁时。

共享锁可以提升效率。假如一个进程只是读入一个文件的内容，而不去改变它的内容，就没有什么原因阻止其他进程来做同样的事。但如果需要写入内容，则很显然需要文件有排斥锁。

标准的 I/O 库中包含一个名为 fcntl 的实用函数，它可以被用来检查或者操作一个文件上的排斥锁和共享锁。该函数通过一个文件描述符（一个在进程中的非负整数值）来标记一个文件（在不同的进程中不同的文件描述符可能标记同一个物理文件）。对于文件的锁定， Linux 提供了名为 flock 的库函数，它是 fcntl 的一个精简包装。第一个例子中使用 fcntl 函数来暴露这些 API 细节。

示例 1. 生产者程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
 
#define FileName "data.dat"
 
void report_and_exit(const char* msg) {
  [perror][4](msg);
  [exit][5](-1); /* EXIT_FAILURE */
}
 
int main() {
  struct flock lock;
  lock.l_type = F_WRLCK;    /* read/write (exclusive) lock */
  lock.l_whence = SEEK_SET; /* base for seek offsets */
  lock.l_start = 0;         /* 1st byte in file */
  lock.l_len = 0;           /* 0 here means 'until EOF' */
  lock.l_pid = getpid();    /* process id */
 
  int fd; /* file descriptor to identify a file within a process */
  if ((fd = open(FileName, O_RDONLY)) < 0)  /* -1 signals an error */
    report_and_exit("open to read failed...");
 
  /* If the file is write-locked, we can't continue. */
  fcntl(fd, F_GETLK, &lock); /* sets lock.l_type to F_UNLCK if no write lock */
  if (lock.l_type != F_UNLCK)
    report_and_exit("file is still write locked...");
 
  lock.l_type = F_RDLCK; /* prevents any writing during the reading */
  if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) < 0)
    report_and_exit("can't get a read-only lock...");
 
  /* Read the bytes (they happen to be ASCII codes) one at a time. */
  int c; /* buffer for read bytes */
  while (read(fd, &c, 1) > 0)    /* 0 signals EOF */
    write(STDOUT_FILENO, &c, 1); /* write one byte to the standard output */
 
  /* Release the lock explicitly. */
  lock.l_type = F_UNLCK;
  if (fcntl(fd, F_SETLK, &lock) < 0)
    report_and_exit("explicit unlocking failed...");
 
  close(fd);
  return 0;
}

上面生产者程序的主要步骤可以总结如下：

• （编辑：衡阳站长网）

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