IPC: Shared Memory Example

我個人比較喜歡的 IPC 技術是 Unix Domain Socket，因為可以統一透過 File Descriptor 的處理機制來進行管理，如 epoll 或是 select 等。但即便是這樣，還是很多人會跟我說：「你有考慮過 Shared Memory 的方法嗎？效能應該會比較好唷。」我當然知道囉，不過隨著年紀增長，已經不再像以前一樣汲汲於效能上微小的差異（I mean ... 人的感受程度），而會把開發、維護的容易程度放在考量的第一位。所以我的第1選項目前都是：Unix Domain Socket，不但如此，之後也很容易直接改成網路的 socket 程式，何樂而不為。但因為以後可能還是有遇到必須使用 Shared Memory 的情況，所以還是寫篇文章來紀錄相關的資訊。

Shared Memory 的 IPC 方式，顧名思義，就是兩個 Process 直接存取同樣一塊的記憶體空間。一般來說，兩個獨立的 Process 都會有各自的 Virtual Memory 位址管理，彼此之間是無法互相存取到的。而使用了 Shared Memory 的機制，系統核心就會準備一塊記憶體位置並讓兩個 Process 都能互相存取。用下圖可以表示 Shared Memory 和 Unix Domain Socket 的不同：

上圖左邊雖然是寫 Unix Domain Socket，但其實用 lo 來做 UDP socket communication 也是同一類。我個人認為上圖很明顯的說明了兩種方式的效率差異。在網路上看到一篇很不錯的效能比較文章，連結如下：

Tcp Socket vs. Unix Domain Socket vs. Pipes vs. Shared Memory

這個網頁只有一個小缺點，他不應該用 TCP Socket 來比較而應該採用 UDP Socket，理由是 TCP 的 Overhead 大於 UDP，而本機端的溝通應該用不到那些機制。考量到外部網頁連結不一定會持續存在，因此我將相關的圖節錄如下：

接下來就是撰寫範例程式了。在這裡會撰寫兩隻程式，一支負責傳送資料，另外一支負責接受資料。範例的參考連結在下面：

http://www.cs.cf.ac.uk/Dave/C/node27.html

shm_server

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define SHMSZ 17

int main()
{
    int shmid = 0, i = 0;
    key_t key;
    char *shm = NULL;
    
    // Segment key.
    
    key = 8888;
    
    // Create the segment.
    
    if( ( shmid = shmget( key, SHMSZ, IPC_CREAT | 0666 ) ) < 0 )
    {
        perror( "shmget" );
        exit(1);
    }
    
    // Attach the segment to the data space.
    
    if( ( shm = shmat( shmid, NULL, 0 ) ) == (char *)-1 )
    {
        perror( "shmat" );
        exit(1);
    }
    
    // Initialization.
    
    memset( shm, 0, SHMSZ );
    
    // Wait other processes to change the memory content.
    // *shm == 0, nothing.
    // *shm == 1, something changed.
    // *shm == 2, bye.
    
    while( *shm != 2 )
    {
        if( *shm == 1 )
        {
            for( i = 1 ; i < 17 ; i++ )
            {
                printf( "%02x ", *( shm + i ) );
            }
            printf( "\n" );
            
            memset( shm, 0, SHMSZ ); 
        }
        
        sleep(1);
    }
    
    return 0;
} 

shm_client

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define SHMSZ 17

int main()
{
    int shmid = 0, i = 0, running = 1;
    key_t key;
    char *shm = NULL;
    char buffer[(SHMSZ - 1)];
    
    // Segment key.
    
    key = 8888;
    
    // Create the segment.
    
    if( ( shmid = shmget( key, SHMSZ, IPC_CREAT | 0666 ) ) < 0 )
    {
        perror( "shmget" );
        exit(1);
    }
    
    // Attach the segment to the data space.
    
    if( ( shm = shmat( shmid, NULL, 0 ) ) == (char *)-1 )
    {
        perror( "shmat" );
        exit(1);
    }
    
    // Change the shared memory content.
    // *shm == 0, wait for change.
    // *shm == 1, not processed yet.
    // *shm == 2, bye.
    
    while( running )
    {
        if( *shm == 0 )
        {
            printf( "Please enter a msg (q for quit): " );
            
            memset( buffer, 0, ( SHMSZ - 1 ) );
            fgets( buffer, ( SHMSZ - 1 ), stdin );
        
            if( buffer[0] == 'q' )
            {
                *shm = 2;
                running = 0;
            }
            else
            {
                *shm = 1;
                memcpy( shm + 1, buffer, ( SHMSZ - 1 ) );
            }
        }
        
        sleep(1);
    }
    
    return 0;
} 

要注意的是上面的範例其實並沒有很好的處理 lock 的問題。以後有心情的話再來改良這支範例吧。