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：

[cpp]  view plain  copy

1. //ShmFifo类设计    
2. class ShmFifo    
3. {    
4. public:    
5.     ShmFifo(int _key, int _blksize, int _blocks);    
6.     ~ShmFifo();    
7.     void put(const void *buf);    
8.     void get(void *buf);    
9.     void destroy();    
10.     
11. private:    
12.     typedef struct shmhead    
13.     {    
14.         unsigned int blksize;   //块大小    
15.         unsigned int blocks;    //总块数    
16.         unsigned int rd_index;  //读索引块    
17.         unsigned int wr_index;  //写索引块    
18.     } shmhead_t;    
19.     
20. private:    
21.     shmhead_t *p_shm;   //共享内存头部指针    
22.     char *p_payload;    //有效负载其实地址    
23.     
24.     int shmid;      //共享内存ID    
25.     int sem_mutex;  //互斥信号量    
26.     int sem_full;   //满信号量    
27.     int sem_empty;  //空信号量    
28. };    

[cpp]  view plain  copy

1. /** 构造函数 **/    
2. ShmFifo::ShmFifo(int _key, int _blksize, int _blocks)    
3. {    
4.     // 打开一块共享内存    
5.     shmid = shmget(_key, 0, 0);    
6.     // 如果打开失败, 则表示该共享内存尚未创建, 则创建之    
7.     if (shmid == -1)    
8.     {    
9.         /** 设置共享内存 **/    
10.         int size = _blksize*_blocks + sizeof(shmhead_t);    
11.         //创建共享内存    
12.         shmid = shmget(_key, size, IPC_CREAT|0666);    
13.         if (shmid == -1)    
14.             err_exit("shmget error");    
15.     
16.         //创建共享内存成功, 则需要将其连接到进程的地址空间    
17.         p_shm = (shmhead_t *)shmat(shmid, NULL, 0);    
18.         if (p_shm == (void *) -1)    
19.             err_exit("shmat error");    
20.     
21.         //将共享内存的首部初始化为struct shmhead    
22.         p_shm->blksize = _blksize;    
23.         p_shm->blocks = _blocks;    
24.         p_shm->rd_index = 0;    
25.         p_shm->wr_index = 0;    
26.     
27.         p_payload = (char *)(p_shm+1);    
28.     
29.         /** 设置三个信号量 **/    
30.         sem_mutex = sem_create(_key);    
31.         sem_setval(sem_mutex, 1);    
32.     
33.         sem_full = sem_create(_key+1);    
34.         sem_setval(sem_full, _blocks);    
35.     
36.         sem_empty = sem_create(_key+2);    
37.         sem_setval(sem_empty, 0);    
38.     }    
39.     else    
40.     {    
41.         //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    
42.         p_shm = (shmhead_t *)shmat(shmid, NULL, 0);    
43.         if (p_shm == (void *) -1)    
44.             err_exit("shmat error");    
45.     
46.         p_payload = (char *)(p_shm+1);    
47.     
48.         /** 打开三个信号量 **/    
49.         sem_mutex = sem_open(_key);    
50.         sem_full = sem_open(_key+1);    
51.         sem_empty = sem_open(_key+2);    
52.     }    
53. }    
54.     
55. /** 析构函数 **/    
56. ShmFifo::~ShmFifo()    
57. {    
58.     shmdt(p_shm);   //将共享内存卸载    
59.     p_shm = NULL;    
60.     p_payload = NULL;    
61. }    

[cpp]  view plain  copy

1. /** destroy函数 **/    
2. void ShmFifo::destroy()    
3. {    
4.     sem_delete(sem_mutex);    
5.     sem_delete(sem_full);    
6.     sem_delete(sem_empty);    
7.     if (shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1)    
8.         err_exit("remove share memory error");    
9. }    

[cpp]  view plain  copy

1. /** put函数 **/    
2. void ShmFifo::put(const void *buf)    
3. {    
4.     sem_P(sem_full);    
5.     sem_P(sem_mutex);    
6.     
7.     /** 进入临界区 **/    
8.     //从结构体中获取写入位置    
9.     char *index = p_payload +    
10.                   (p_shm->wr_index * p_shm->blksize);    
11.     //写入    
12.     memcpy(index, buf, p_shm->blksize);    
13.     //index后移    
14.     p_shm->wr_index = (p_shm->wr_index+1)%p_shm->blocks;    
15.     /** 退出临界区 **/    
16.     
17.     sem_V(sem_mutex);    
18.     sem_V(sem_empty);    
19. }    

[cpp]  view plain  copy

1. /** get函数 **/    
2. void ShmFifo::get(void *buf)    
3. {    
4.     sem_P(sem_empty);    
5.     sem_P(sem_mutex);    
6.     
7.     /** 进入临界区 **/    
8.     //从结构体中获取读出位置    
9.     char *index = p_payload +    
10.                   (p_shm->rd_index * p_shm->blksize);    
11.     //读取    
12.     memcpy(buf, index, p_shm->blksize);    
13.     p_shm->rd_index = (p_shm->rd_index+1)%p_shm->blocks;    
14.     /** 退出临界区 **/    
15.     
16.     sem_V(sem_mutex);    
17.     sem_V(sem_full);    
18. }    

[cpp]  view plain  copy

1. .PHONY: clean all    
2. CC = g++    
3. CPPFLAGS = -Wall -g    
4. BIN = write read free    
5. SOURCES = $(BIN.=.cpp)    
6. all: $(BIN)    
7.     
8. %.o: %.cpp    
9.     $(CC) $(CPPFLAGS) -c $^ -o $@    
10.     
11. write: write.o shmfifo.o ipc.o    
12.     $(CC) $(CPPFLAGS) $^ -lrt -o $@    
13. read: read.o shmfifo.o ipc.o    
14.     $(CC) $(CPPFLAGS) $^ -lrt -o $@    
15.     
16. free: free.o shmfifo.o ipc.o    
17.     $(CC) $(CPPFLAGS) $^ -lrt -o $@    
18.     
19. clean:    
20.     -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