在C语言中创建共享数据结构

Question

我已在我的C程序中创建了一个数据结构，如下所示：

typedef struct {
  int *array;
  size_t used;
  size_t size;
} Array;

void initArray(Array *a, size_t initialSize) {
  a->array = (int *)malloc(initialSize * sizeof(int));
  a->used = 0;
  a->size = initialSize;
}

void insertArray(Array *a, int element) {
  if (a->used == a->size) {
    a->size *= 2;
    a->array = (int *)realloc(a->array, a->size * sizeof(int));
  }
  a->array[a->used++] = element;
}

void freeArray(Array *a) {
  free(a->array);
  a->array = NULL;
  a->used = a->size = 0;
}

然后，我使用以下方法从外部文本文件向该数据结构添加一些数据：

Array read_ints (const char* file_name)
{
  Array numbers;
  initArray(&numbers,5);

  FILE* file = fopen (file_name, "r");
  int i = 0;
  int count = 0;

  fscanf (file, "%d,", &i);  
  insertArray(&numbers,i);  
  while (!feof (file))
    {  
      //printf ("%d ", i);
      fscanf (file, "%d,", &i);
      insertArray(&numbers,i);      
    }
  fclose (file);
  return numbers;        
}

现在我需要做的是将“Array”数据结构变成一个共享内存部分，这样我的程序中的子进程和父进程都可以访问该数据结构。我不知道如何将其转换为共享内存。我知道在UNIX环境下可以使用“shmget（）”系统调用来获取共享内存，但我不知道如何在这种情况下使用该系统调用。请帮助我。

- Shiran S Ekanayake

---

标准警告：请勿在C语言中将malloc()及其相关函数的返回值进行强制转换。 - Sourav Ghosh

参见while (!feof(file)) is always wrong。这不是正确的做法： while (fscanf(file, "%d", &i) == 1) insertArray(&numbers, i);才是正确的方法。 - Jonathan Leffler

你是在fork之前还是之后创建内存？ 子进程对于共享内存有什么了解？ 父进程和子进程运行相同的可执行文件吗？ 关于创建共享内存，您需要协商密钥，读取数据以确定需要多大的内存块，然后创建共享内存并将数组复制到其中。 然后，您需要协调访问共享内存等操作。 这只是使用“shm *（）”函数和“ftok（）”函数的简单但繁琐的用法。 但是详细信息部分取决于您未提供的信息，例如进程结构。 - Jonathan Leffler

如果您使用的是Debian或Red Hat及其衍生版本，则可以在/dev/shm上进行fread和fwrite操作。 - David Ranieri

由于父进程和子进程是分别编译的二进制文件，它们需要就获取正确的共享内存段达成一致。在从文件中读取数据后，父进程创建该内存段，然后fork并执行子进程。子进程要么知道要使用哪个共享内存段，要么被告知。ftok()函数要求两个进程就文件名达成一致。或者父进程可以向执行后的子进程传递一个字符串来标识共享内存段（作为段ID、文件名等）。利用 shmget()、shmat()、shmdt()、shmctl() 函数实现。 - Jonathan Leffler

Answer 1

Main code — shm-master.c

#include "posixver.h"
#include <inttypes.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include "so-stderr.h"

enum { DEFAULT_SHM_SIZE = 65536 };
enum { DEFAULT_FTOK_ID = 0 };
static const char default_filename[] = "/etc/passwd";

static const char usestr[] = "[-adx][-f file][-s size][-i id]";
static const char optstr[] = "adf:s:x";

int main(int argc, char **argv)
{
    int aflag = 0;
    int xflag = 0;
    int dflag = 0;
    int id = DEFAULT_FTOK_ID;
    size_t size = DEFAULT_SHM_SIZE;
    const char *file = default_filename;
    int opt;

    err_setarg0(argv[0]);
    while ((opt = getopt(argc, argv, optstr)) != -1)
    {
        switch (opt)
        {
        case 'a':
            aflag = 1;
            break;
        case 'd':
            dflag = 1;
            break;
        case 'f':
            file = optarg;
            break;
        case 'i':
            id = atoi(optarg);
            break;
        case 's':
            size = strtoull(optarg, 0, 0);
            if (size == 0)
                err_error("Invalid size (%s) evaluates to zero\n", optarg);
            break;
        case 'x':
            xflag = 1;
            break;
        default:
            err_usage(usestr);
        }
    }

    if (aflag + dflag + xflag > 1)
        err_error("%d of 3 mutually exclusive options -a, -d and -x specified\n", aflag + dflag + xflag);

    printf("ID: %d, File: %s\n", id, file);
    key_t key = ftok(file, id);
    printf("Key: 0x%.8" PRIX64 "\n", (uint64_t)key);
    int shmflg = S_IRUSR | S_IWUSR;
    if (!aflag && !dflag)
        shmflg |= IPC_CREAT;
    if (xflag)
        shmflg |= IPC_EXCL;

    int shmid = shmget(key, size, shmflg);
    if (shmid < 0)
        err_syserr("Failed to get shared memory ID: ");
    printf("ShmID: %d\n", shmid);

    if (dflag)
    {
        struct shmid_ds buf;
        int rc = shmctl(shmid, IPC_RMID, &buf);
        if (rc < 0)
            err_syserr("Failed to delete shared memory: ");
        printf("Shared memory removed\n");
    }
    else
    {
        void *space = shmat(shmid, 0, 0);
        if (space == (void *)-1)
            err_syserr("Failed to attach to shared memory: ");
        printf("Shared memory allocated at 0x%" PRIXPTR "\n", (uintptr_t)space);
        memset(space, '\0', size);
        int rc = shmdt(space);
        if (rc != 0)
            err_syserr("Failed to detach from shared memory: ");
        printf("Detached from shared memory\n");
    }

    return 0;
}

Library code — so-stderr.h

#ifndef SO_STDERR_H_INCLUDED
#define SO_STDERR_H_INCLUDED

extern void err_setarg0(const char *arg0);
extern void err_error(const char *fmt, ...);
extern void err_syserr(const char *fmt, ...);

#endif /* SO_STDERR_H_INCLUDED */

Library code — so-stderr.c

#include "so-stderr.h"
#include <errno.h>
#include <stdarg.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

static const char *argv0 = "**undefined**";

void err_setarg0(const char *arg0)
{
  argv0 = arg0;
}

void err_error(const char *fmt, ...)
{
  fprintf(stderr, "%s: ", argv0);
  va_list args;
  va_start(args, fmt);
  vfprintf(stderr, fmt, args);
  va_end(args);
  exit(EXIT_FAILURE);
}

void err_syserr(const char *fmt, ...)
{
  int errnum = errno;
  fprintf(stderr, "%s: ", argv0);
  va_list args;
  va_start(args, fmt);
  vfprintf(stderr, fmt, args);
  va_end(args);
  if (errnum != 0)
    fprintf(stderr, "(%d: %s)", errnum, strerror(errnum));
  putc('\n', stderr);
  exit(EXIT_FAILURE);
}

配置头文件 — posixver.h

在许多系统上，您可以将更高的版本号调整为700（适用于POSIX 2008/2013），但即使在10.10.3 Yosemite下，也不建议在Mac OS X上这样做。

#ifndef JLSS_ID_POSIXVER_H
#define JLSS_ID_POSIXVER_H

#if !defined(_XOPEN_SOURCE) && !defined(_POSIX_C_SOURCE)
#if __STDC_VERSION__ >= 199901L
#define _XOPEN_SOURCE 600
#else
#define _XOPEN_SOURCE 500
#endif

#endif

在所有情况下，“真实”的代码包括（少量）注释和其他说明。生产环境中的stderr.h和stderr.c比所示的最小版本更复杂，但对于许多目的而言，所示内容与生产版本相当。

运行示例

$ ./shm-master -H
./shm-master: invalid option -- 'H'
Usage: ./shm-master [-adx][-f file][-s size][-i id]
$ ./shm-master -ax
./shm-master: 2 of 3 mutually exclusive options -a, -d and -x specified
$ ./shm-master -dx
./shm-master: 2 of 3 mutually exclusive options -a, -d and -x specified
$ ./shm-master -da
./shm-master: 2 of 3 mutually exclusive options -a, -d and -x specified
$ ./shm-master -dax
./shm-master: 3 of 3 mutually exclusive options -a, -d and -x specified
$ ipcs -m | grep -v '^0x00000000 '

------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status
0x620010f7 0          root       660        557920     4
0x63002725 32769      root       666        82164      3

$ ./shm-master -x
ID: 0, File: /etc/passwd
Key: 0x0000009F
ShmID: 44793901
Shared memory allocated at 0x7F29AC43A000
Detached from shared memory
$ ipcs -m | grep -v '^0x00000000 '

------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status
0x620010f7 0          root       660        557920     4
0x63002725 32769      root       666        82164      3
0x0000009f 44793901   jleffler   600        65536      0

$ ./shm-master -d
ID: 0, File: /etc/passwd
Key: 0x0000009F
ShmID: 44793901
Shared memory removed
$ ipcs -m
$ grep -v '^0x00000000 '

------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status
0x620010f7 0          root       660        557920     4
0x63002725 32769      root       666        82164      3

$ ./shm-master -f /home/jleffler/soq/shm-master -a
./shm-master: Failed to get shared memory ID: (2: No such file or directory)
ID: 0, File: /home/jleffler/soq/shm-master
Key: 0x00010FB9
$ ./shm-master -f /home/jleffler/soq/shm-master -d
./shm-master: Failed to get shared memory ID: (2: No such file or directory)
ID: 0, File: /home/jleffler/soq/shm-master
Key: 0x00010FB9
$ ./shm-master -f /home/jleffler/soq/shm-master -x
ID: 0, File: /home/jleffler/soq/shm-master
Key: 0x00010FB9
ShmID: 44826669
Shared memory allocated at 0x7FA1488CA000
Detached from shared memory
$ ./shm-master -f /home/jleffler/soq/shm-master -d
ID: 0, File: /home/jleffler/soq/shm-master
Key: 0x00010FB9
ShmID: 44826669
Shared memory removed
$ ./shm-master -f /home/jleffler/soq/shm-master -x
ID: 0, File: /home/jleffler/soq/shm-master
Key: 0x00010FB9
ShmID: 44859437
Shared memory allocated at 0x7F93005EC000
Detached from shared memory
$ shmid=$(./shm-master -f /home/jleffler/soq/shm-master -a sed -n '/ShmID: /s///p')
$ ipcs -m -i $shmid

Shared memory Segment shmid=44859437
uid=199484      gid=5000        cuid=199484     cgid=5000
mode=0600       access_perms=0600
bytes=65536     lpid=31202      cpid=31200      nattch=0
att_time=Fri Apr 17 11:37:06 2015
det_time=Fri Apr 17 11:37:06 2015
change_time=Fri Apr 17 11:37:06 2015

$ ./shm-master -f /home/jleffler/soq/shm-master -d
ID: 0, File: /home/jleffler/soq/shm-master
Key: 0x00010FB9
ShmID: 44859437
Shared memory removed
$

顺便提一下，ipcs选项-i id是Linux在ipcs的POSIX规范上做的扩展，在其他操作系统比如Mac OS X（BSD）上不可用。最接近的等效方法是ipcs -m -a | grep "$shmid"，但这并不完美。grep -v '^0x00000000 '操作排除了私有共享内存段（在我测试的机器上有很多）。

- Jonathan Leffler