Linux进程间通信(IPC)编程实践（十一）System V信号量---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.



我们使用C++来实现：

//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);
}

.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

需要实时链接库，只需要修改Makefile文件，加上-lrt就可以了