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UNIX 共享內存應用中的問題及解決方法

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簡介
共享內存是一種非常重要且常用的進程間通信方式，相對于其它IPC機制，因其速度最快、效率最高，被廣泛應用于各類軟件產品及應用開發中 。System V IPC 為Unix平臺上的共享內存應用制定了統一的API標準，從而為在UNIX/Linux平臺上進行跨平臺開發提供了極大的便利；開發人員基于一套基本相同的源代碼，便可開發出同時支持AIX、Solaris、HP-UX、Linux等平臺的產品 。
然而，各個平臺對System V 標準的API在實現上各有差異，由此對相關應用開發帶來影響，甚至引入難以調試的問題 。本文將結合作者在Tivoli產品開發中的實際經驗，對這些平臺相關的問題，以及具有共性的問題，逐一進行分析，并提出解決方法 。
1. System V共享內存概述
System V 進程間通信（IPC）包括3種機制：消息隊列、信號量、共享內存 。消息隊列和信號量均是內核空間的系統對象，經由它們的數據需要在內核和用戶空間進行額外的數據拷貝；而共享內存和訪問它的所有應用程序均同處于用戶空間，應用進程可以通過地址映射的方式直接讀寫內存，從而獲得非常高的通信效率 。
System V 為共享內存定義了下列API接口函數：
# include
# include
# include
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
int shmget(key_t key, int size, int shmflg);
void* shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
int shmdt(void *shmaddr);
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
ftok函數用于生成一個鍵值：key_t key，該鍵值將作為共享內存對象的唯一性標識符，并提供給為shmget函數作為其輸入參數；ftok 函數的輸入參數包括一個文件（或目錄）路徑名：pathname，以及一個額外的數字：proj_id，其中pathname所指定的文件（或目錄）要求必須已經存在，且proj_id不可為0；shmget函數用于創建（或者獲?。┮粋€由key鍵值指定的共享內存對象，返回該對象的系統標識符：shmid；shmat函數用于建立調用進程與由標識符shmid指定的共享內存對象之間的連接；shmdt函數用于斷開調用進程與共享內存對象之間的連接；shmctl函數用于對已創建的共享內存對象進行查詢、設值、刪除等操作；
2. ftok的陷阱
根據pathname指定的文件（或目錄）名稱，以及proj_id參數指定的數字，ftok函數為IPC對象生成一個唯一性的鍵值 。在實際應用中，很容易產生的一個理解是，在proj_id相同的情況下，只要文件（或目錄）名稱不變，就可以確保ftok返回始終一致的鍵值 。然而，這個理解并非完全正確，有可能給應用開發埋下很隱晦的陷阱 。因為ftok的實現存在這樣的風險，即在訪問同一共享內存的多個進程先后調用ftok函數的時間段中，如果pathname指定的文件（或目錄）被刪除且重新創建，則文件系統會賦予這個同名文件（或目錄）新的i節點信息，于是這些進程所調用的ftok雖然都能正常返回，但得到的鍵值卻并不能保證相同 。由此可能造成的后果是，原本這些進程意圖訪問一個相同的共享內存對象，然而由于它們各自得到的鍵值不同，實際上進程指向的共享內存不再一致；如果這些共享內存都得到創建，則在整個應用運行的過程中表面上不會報出任何錯誤，然而通過一個共享內存對象進行數據傳輸的目的將無法實現 。
AIX、Solaris、HP-UX均明確指出，key文件被刪除并重建后，不保證通過ftok得到的鍵值不變，比如AIX上ftok的man幫助信息即聲明：
Attention: If the Path parameter of the ftok subroutine names a file that has been removed while keys still refer to it, the ftok subroutine returns an error. If that file is then re-created, the ftok subroutine will probably return a key different from the original one.

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