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linux使用共享內存通信的進程同步退出問題

兩個甚至多個進程使用共享內存(shm)通信,總遇到同步問題。這裡的“同步問題”不是說進程讀寫同步問題,這個用信號量就好了。這裡的同步問題說的是同步退出問題,到底誰先退出,怎麼知道對方退出了。舉個例子:進程負責讀寫數據庫A,進程B負責處理數據。那麼進程A得比進程B晚退出才行,因為要保存進程B處理完的數據。可是A不知道B什麼時候退出啊。A、B是無關聯的進程,也不知道對方的pid。它們唯一的關聯就是讀寫同一塊共享內存。正常情況下,進程B在共享內存中寫個標識:進程A你可以退出了,也是可以的。不過進程B可能是異常退出,連標識都來不及寫。其次,共享內存用來做數據通信的,加這麼個標識感覺不太好,有濫用的感覺。

  采用socket通信沒有這個問題,因為進程B退出怎麼也會導致socket斷開,哪怕是超時。但shm卻沒有協議來檢測這些行為,如果自己也做一個未免太麻煩。那就從共享內存下手吧。

  共享內存是由內核來管理的,一個進程刪除本身打開的共享內存並不影響另一個進程的共享內存,哪怕都是同一塊共享內存。這是因為共享內存在內核中一個引用計數,一個進程使用該共享內存就會導致引用計數加1。如果其中一個進程調用了刪除函數,只有這個計數為0才會真正刪除共享內存。那麼,需要最後才退出的進程檢測這個計數就可以了。

  在System V的共享內存中,創建一個共享內存會初始化一個結構:


復制代碼代碼如下:
struct shmid_ds {
struct ipc_perm shm_perm; /* Ownership and permissions */
size_t shm_segsz; /* Size of segment (bytes) */
time_t shm_atime; /* Last attach time */
time_t shm_dtime; /* Last detach time */
time_t shm_ctime; /* Last change time */
pid_t shm_cpid; /* PID of creator */
pid_t shm_lpid; /* PID of last shmat(2)/shmdt(2) */
shmatt_t shm_nattch; /* No. of current attaches */
...
};

使用shmctl函數可以讀取該結構體,其中的shm_nattch就是使用該共享內存的進程數。

  不過,現在有了新的POSIX標准,當然要用新標准了。shm_open創建的共享內存也具有“一個進程刪除本身打開的共享內存並不影響另一個進程的共享內存”的特點。可是用shm_open創建的共享內存不再有上面的結構,那麼,內核是怎麼管理shm_open創建共享內存??看下面的源碼:


復制代碼代碼如下:
/* shm_open - open a shared memory file */</p> <p>/* Copyright 2002, Red Hat Inc. */</p> <p>#include <sys/types.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <limits.h></p> <p>int
shm_open (const char *name, int oflag, mode_t mode)
{
int fd;
char shm_name[PATH_MAX+20] = "/dev/shm/";</p> <p> /* skip opening slash */
if (*name == '/')
++name;</p> <p> /* create special shared memory file name and leave enough space to
cause a path/name error if name is too long */
strlcpy (shm_name + 9, name, PATH_MAX + 10);</p> <p> fd = open (shm_name, oflag, mode);</p> <p> if (fd != -1)
{
/* once open we must add FD_CLOEXEC flag to file descriptor */
int flags = fcntl (fd, F_GETFD, 0);</p> <p> if (flags >= 0)
{
flags |= FD_CLOEXEC;
flags = fcntl (fd, F_SETFD, flags);
}</p> <p> /* on failure, just close file and give up */
if (flags == -1)
{
close (fd);
fd = -1;
}
}</p> <p> return fd;
}

我嚓,這就是創建一個普通的文件啊,只是創建的位置在/dev/shm下(也就是RAM上)。再來看看刪除共享內存的函數shm_unlink:


復制代碼代碼如下:
/* shm_unlink - remove a shared memory file */</p> <p>/* Copyright 2002, Red Hat Inc. */</p> <p>#include <sys/types.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <limits.h></p> <p>int
shm_unlink (const char *name)
{
int rc;
char shm_name[PATH_MAX+20] = "/dev/shm/";</p> <p> /* skip opening slash */
if (*name == '/')
++name;</p> <p> /* create special shared memory file name and leave enough space to
cause a path/name error if name is too long */
strlcpy (shm_name + 9, name, PATH_MAX + 10);</p> <p> rc = unlink (shm_name);</p> <p> return rc;
}

這也只是一個普通的unlink函數。也就是說,POSIX標准的共享內存就是一個文件。所謂的“一個進程刪除本身打開的共享內存並不影響另一個進程的共享內存”就相當於你用fstream對象打開了一個文件,然後去文件夾把文件刪除了(也就是對文件進行了unlink操作),可是fstream對象還可以正常讀寫文件,並沒有什麼引用計數。這下好了,進程退出時又沒法同步了。

  不過,在linux下怎麼會有解決不了的問題呢?解決不了只能說明自己太菜。既然是文件,那就從文件下手。那文件有什麼是原子操作,又可以計數的呢。答案:硬鏈接。比如:


復制代碼代碼如下:
xzc@xzc-HP-ProBook-4446s:/dev/shm$ stat abc
文件:"abc"
大小:4 塊:8 IO 塊:4096 普通文件
設備:15h/21d Inode:5743159 硬鏈接:1
權限:(0664/-rw-rw-r--) Uid:( 1000/ xzc) Gid:( 1000/ xzc)
最近訪問:2015-01-25 21:27:00.961053098 +0800
最近更改:2015-01-25 21:27:00.961053098 +0800
最近改動:2015-01-25 21:27:00.961053098 +0800
創建時間:-
xzc@xzc-HP-ProBook-4446s:/dev/shm$

這個硬鏈接可以通過fstat函數獲取。可是要這樣實現的話,意味著需要先創建一塊共享內存,每個進程引用的時候需要調用link函數來創建一個硬鏈接。問題解決了,可是這樣會在/dev/shm下多個N多個文件。這可是RAM啊,雖然現在的服務器都比較牛,但這樣做也不太好吧。好吧,還有一個flock文件鎖。flock使用LOCK_SH參數多個進程對同一個文件加鎖。這樣,進程B初始化共享內存時加鎖(可以有多個這樣的進程),在退出(包括異常退出)時解鎖。進程A在退出時檢測這個鎖。當發現無鎖時說明可以安全退出了。

  同步退出的問題基本解決了。來不及寫代碼去驗證,下次吧。

PS:內核unlink時應該也是有計數才知道當前有沒有進程打開文件,在什麼時候應該刪除文件。這個還得去查資料,看用不用得上。另外lsof這個工具是可以檢測到所有打開該共享內存的進程及相應的狀態。這個應該也是有對應的api的,只是現在還沒搞懂。

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