Разделяемые сегменты памяти
В стандарте POSIX-2001 разделяемый объект памяти определяется как объект, представляющий собой память, которая может быть параллельно отображена в адресное пространство более чем одного процесса.
Таким образом, процессы могут иметь общие области виртуальной памяти и разделять содержащиеся в них данные. Единицей разделяемой памяти являются сегменты. Разделение памяти обеспечивает наиболее быстрый обмен данными между процессами.
Работа с разделяемой памятью начинается с того, что один из взаимодействующих процессов посредством функции shmget() создает разделяемый сегмент, специфицируя первоначальные права доступа к нему и его размер в байтах.
Чтобы получить доступ к разделяемому сегменту, его нужно присоединить (для этого служит функция shmat()), т. е. разместить сегмент в виртуальном пространстве процесса. После присоединения, в соответствии с правами доступа, процессы могут читать данные из сегмента и записывать их (быть может, синхронизируя свои действия с помощью семафоров). Когда разделяемый сегмент становится ненужным, его следует отсоединить с помощью функции shmdt().
Предусмотрена возможность выполнения управляющих действий над разделяемыми сегментами (функция shmctl()).
Описание перечисленных функций представлено в листинге 8.40.
#include <sys/shm.h> int shmget (key_t key, size_t size, int shmflg); void *shmat (int shmid, const void *shmaddr, int shmflg); int shmdt (const void *shmaddr); int shmctl (int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
Листинг 8.40. Описание функций для работы с разделяемыми сегментами памяти. (html, txt)
Структура shmid_ds, ассоциированная с идентификатором разделяемого сегмента памяти, должна содержать по крайней мере следующие поля.
struct ipc_perm shm_perm; /* Данные о правах доступа к разделяемому сегменту */ size_t shm_segsz; /* Размер сегмента в байтах */ pid_t shm_lpid; /* Идентификатор процесса, выполнившего последнюю операцию над разделяемым сегментом */ pid_t shm_cpid; /* Идентификатор процесса, создавшего разделяемый сегмент */ shmatt_t shm_nattch; /* Текущее число присоединений сегмента */ time_t shm_atime; /* Время последнего присоединения */ time_t shm_dtime; /* Время последнего отсоединения */ time_t shm_ctime; /* Время последнего изменения посредством shmctl() */
Функция shmget() аналогична msgget() и semget(); аргумент size задает нижнюю границу размера сегмента в байтах; реализация, учитывающая, например, правила выравнивания, имеет право создать разделяемый сегмент большего размера.
Структура shmid_ds инициализируется в соответствии с общими для средств межпроцессного взаимодействия правилами. Поле shm_segsz устанавливается равным значению аргумента size.
Число уникальных идентификаторов разделяемых сегментов памяти ограничено; попытка его превышения ведет к неудачному завершению shmget() (возвращается -1). Вызов shmget() завершится неудачей и тогда, когда значение аргумента size меньше минимально допустимого либо больше максимально допустимого размера разделяемого сегмента.
Чтобы присоединить разделяемый сегмент, используется функция shmat(). Аргумент shmid задает идентификатор разделяемого сегмента; аргумент shmaddr - адрес, по которому сегмент должен быть присоединен, т. е. тот адрес в виртуальном пространстве процесса, который получит начало сегмента. Поскольку свойства сегментов зависят от аппаратных особенностей управления памятью, не всякий адрес является приемлемым. Если установлен флаг SHM_RND, адрес присоединения округляется до величины, кратной константе SHMLBA.
Если shmaddr задан как пустой указатель, реализация выбирает адрес присоединения по своему усмотрению.
По умолчанию присоединяемый сегмент будет доступен и на чтение, и на запись (если процесс обладает необходимыми правами). Флаг SHM_RDONLY предписывает присоединить сегмент только для чтения.
При успешном завершении функции shmat() результат равен адресу, который получил присоединенный сегмент; в случае неудачи возвращается -1. (Разумеется, для использования результата shmat() в качестве указателя его нужно преобразовать к требуемому типу.)
Отсоединение сегментов производится функцией shmdt(); аргумент shmaddr задает начальный адрес отсоединяемого сегмента.
Управление разделяемыми сегментами осуществляется при помощи функции shmctl(), аналогичной msgctl().
Как и для очередей сообщений, для разделяемых сегментов определены управляющие команды IPC_STAT (получить информацию о состоянии разделяемого сегмента), IPC_SET (переустановить характеристики), IPC_RMID (удалить разделяемый сегмент). Удалять сегмент нужно после того, как от него отсоединились все процессы.
Аппарат разделяемых сегментов предоставляет нескольким процессам возможность одновременного доступа к общей области памяти. Обеспечивая корректность доступа, процессы тем или иным способом должны синхронизировать свои действия. В качестве средства синхронизации удобно использовать семафор. В листинге 8.41 показана реализация так называемого критического интервала - механизма, обеспечивающего взаимное исключение разделяющих общие данные процессов.
Для "создания" подобного механизма необходимо породить разделяемый сегмент памяти, присоединить его во всех процессах, которым предоставляется доступ к разделяемым данным, а также породить и проинициализировать простейший семафор. После этого монопольный доступ к разделяемой структуре обеспечивается применением P- и V-операций.
Листинг 8.41. Пример работы с разделяемыми сегментами памяти. (html, txt)
Результат работы приведенной программы может выглядеть так, как показано в листинге 8.42.
Листинг 8.42. Возможный результат синхронизации доступа к разделяемым данным. (html, txt)
В листинге 8.43 представлен пример использования разделяемых сегментов памяти в сочетании с обработкой сигнала SIGSEGV, который посылается процессу при некорректном обращении к памяти. Идея в том, чтобы создавать разделяемые сегменты, "накрывающие" запрашиваемые адреса. При некотором воображении пример можно считать основой программной реализации виртуальной памяти.
Листинг 8.43. Пример работы с разделяемыми сегментами памяти и сигналами. (html, txt)
Обратим внимание на использование флагов округления адреса присоединения разделяемого сегмента (SHM_RND) и присоединения только на чтение (SHM_RDONLY), а также обработчика сигналов, задаваемого полем sa_sigaction структуры типа sigaction (в сочетании с флагом SA_SIGINFO) и имеющего доступ к расширенной информации о сигнале и его причинах.
