进程通信之内存地址映射与共享，同时如何在Linux0.11下实现共享内存

Mr.Peach这一周经历了许多磨难，所以才在deadline前2天写了这篇博文，关于进程通信时，共享内存的相关理解。

这一切都要从哈工大的第五次操作系统实验说起，它的任务就是将第四次的消费者生产者问题改造改造，进程间的通信方式从文件转为内存。

内存管理有分段式管理，页式管理，也有段式地址，段基址+段偏移得线性地址，线性地址可以得到页目录号，页号，页内偏移地址，页号加上页偏移得物理地址。Linux就是这么解析一个逻辑地址的。

那站在unix系统角度来看内存共享，就要从它的系统调用说起了，和以前一样，我们需要10个sizeof(int)大小的区域来作为 producer 和 consumer 两个进程的共享空间让他们进行情感交流。按常理，就有以下几步了：

打开共享内存区域：相应调用是   id = shmget(KEY, BUFFER_SIZE, IPC_CREAT);  这里 shmget会创建一块新的IPC对象的共享内存，KEY为唯一标定IPC对象的标记，这样在不同进程间，可以通过唯一的KEY来指定相同的共享内存块，创建空间BUFFER_SIZE即为 10个int变量的大小，创建方式为IPC_CREAT，无则创建，有则打开。与以前的文件共享方式无异。id
为共享内存标识符，我们可以通过它来完成以后的映射。
KEY的生成，可以通过调用 ftok() 实现。  like： key_t KEY = ftok("/", 'A');   第一个参数是该进程有权限访问的目录节点，第二个参数是一个介于0-255的数，可以简单用ascii来代替。通过这两个参数，能生成唯一一个KEY用于标记共享内存区域。
将共享内存区映射到本进程内存空间，任何想用共享内存区域的进程都需要进行映射。 使用 head = shmat("id", NULL, 0); 来进行映射。通过id确定哪块儿共享内存，NULL意味针对共享内存首址，我们希望系统能够自动给出，因此我们不指定，给null，0意味对于此空间，进程可读可写。head 是 一个 int* ,映射成功后，head即是共享内存的首址，通过它加上偏移，就能方便只有的读写共享内存区域。such as： head[3]=4;// 共享内存的第四个位置值为4.

这几个函数代替原先文本共享时，文件读写的几个函数即可。关于生产，消费的流程，还是以前的思路。挺简单无聊的。。。。。

另外需要注意的是， 运行有共享内存的进程时，需要有root权限，可通过 sudo ./producer &                   sudo ./consumer.......不然会报segmentation fault

至于Linux0.11下共享内存系统调用的实现。需要理解下。

以前实现信号量时，我们限定了可用信号量的上限，这里也是这样的，共享内存区域相当于一个页面，我们得限定上限有几个空闲页面可作为共享内存区域。

对于每个共享内存区域，都有一个唯一的上面谈到的key，有是否可用的信号，当然还有它的物理地址了，毕竟它需要将共享的东西放在真实地址上，所以要给出实际物理地址的首地址。至于共享区域的长度限制，大家如果看书的话，知道凡是申请共享内存区域，系统都会给出4KB的空间来，不管你实际申请多少。因为那是页面的大小哇，怎么能随便变呢。因此，没有变量记录长度限制。

这样，就可以在unistd.h中确定shm_t结构体的具体内容了。

现在聊聊怎么在kernel中实现shm的两个调用 shmget() shmat().  直观的，需要一个物理页，需要一个线性地址，然后把他们映射起来。之后把段偏移地址作为shmat的返回值就行了。

首先需要一个空白物理页，这个物理空白页的地址是存在 sem_t->addr中的。以为最后映射时使用。可以 

temp = get_free_page();  shm[i]->addr = temp;

其次需要一个线性地址，这里从数据段中偷一块儿出来。

static unsigned long change_ldt(unsigned long text_size,unsigned long * page)
{
/*其中text_size是代码段长度，从可执行文件的头部取出，page为参数和环境页*/
unsigned long code_limit,data_limit,code_base,data_base;
int i;

code_limit = text_size+PAGE_SIZE -1; code_limit &= 0xFFFFF000;
//code_limit为代码段限长=text_size对应的页数（向上取整）
data_limit = 0x4000000; //数据段限长64MB
code_base = get_base(current->ldt[1]); data_base = code_base;

//数据段基址=代码段基址
set_base(current->ldt[1],code_base); set_limit(current->ldt[1],code_limit);
set_base(current->ldt[2],data_base); set_limit(current->ldt[2],data_limit);
__asm__("pushl $0x17\n\tpop %%fs":: );
data_base += data_limit; //从数据段的末尾开始

for (i=MAX_ARG_PAGES-1 ; i>=0 ; i--) {  //向前处理
data_base -= PAGE_SIZE;  //一次处理一页
if (page[i]) put_page(page[i],data_base); //建立线性地址到物理页的映射
}
return data_limit;  //返回段界限
}

这是修改段标识的函数，可以看出来，数据段与代码段基址相同，其次数据段长度是 0x4000000.  我们可以从下往上，抽取一部分地址作为共享内存区域的线性地址空间，一个页面大小是一个 PAGE_SIZE, 如果我们在unistd中定义了MAX个共享内存区域，那可以将 di = 0x4000000 - MAX*PAGE_SIZE 作为段偏移地址。而基址是 data_base = get_base(current->ldt[2]，那共享内存区域的线性地址就是 data_base
+ di。

做线性地址与物理页的映射。

put_page(shm[i]->addr, data_base+di);//将空白物理页映射到线性地址。把di返回。进程就能通过di来读写共享内存区域了。

所以shmget基本就是初始化 shm_t 结构体的，shmat就是做各种地址相关操作的。  按上面思路实现就好了。debug时可以通过多打印地址来跟踪。

有时我希望与我交流更多的是各式各样的人和地域风情的事儿，而不是coding，但也仅是有时。