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基于共享内存的 IPC 同步算法的研究 廖昕,余波 北京邮电大学电信工程学院，北京（100876 ） Email: qiu10191@126.com 摘要：介绍了基于共享内存的进程间通信的三种同步算法的具体实现流程和优缺点：单 buffer 同步算法需要资源少，算法简单，但只能满足小数据量的通信；buffer 队列同步算法 需要资源多，算法较复杂，能满足进程间频繁地大数据量的通信；动态调整 buffer 队列长度 同步算法能根据当前进程间通信的具体情况，动态调整buffer 队列长度，既能满足进程间实 时、准确地数据交互，又能合理地利用资源，只是算法复杂。最后用 C 语言实现了在 windows 操作系统下的三种同步算法，并分析了各算法的性能差异。 关键词：进程间通信 同步算法 共享内存 事件 buffer 队列 中图分类号：TP316.81 1. 引言 进程是装入内存并准备执行的程序，每个进程都有私有的虚拟地址空间，由代码、数据 以及它可利用的系统资源（如文件、管道等）组成，因此进程间通信（InterProcess Communication, IPC ）的主要目的是实现同一计算机系统内部的相互协作进程之间的数据共 享与数据交换 。由于这些进程处于同一软件和硬件环境下 ,利用操作系统提供的编程接口 , 我们可以方便地在程序中实现这种通信，绝大多数操作系统提供了管道、共享内存、套接字 等进程间通信方法。但在很多情况下，进程间通信要求很高的实时性,并且不允许丢失数据， 因此,进程间通信的同步算法的研究是十分有意义的。由于管道、套接字的同步都有操作系 统提供专门的应用编程接口（Application Programming Interface, API ）控制，同步的实时性 和数据传输的有效性很有限，而基于共享内存机制的进程间通信，虽然需要结合事件、信号 量等一些专门的内核对象和标志位才能实现，但实时性很高，同时可以保证数据的有效传输， 只是算法较复杂。本文将具体就 Windows 下基于共享内存的 IPC 同步算法进行讨论。 2. 基本概念 实现进程间同步的机制很多，下面只就本文讨论的同步算法中将要涉及的一些进行简要 介绍。 2.1. 共享内存 共享内存是对将要在多个进程间映射和共享的内存区域(段)所作的映射。这是 IPC 的 最快捷方式, 因为这种通信方式没有中介(例如管道、消息队列等)。相反, 消息直接从某内 存段映射, 并映射到调用进程的寻址空间。使用共享内存技术, 不同进程可以同时访问相同 的内存区域。能够通过共享它们地址空间的若干部分, 然后对存储在共享内存中的数据进行 读和写, 从而实现直接彼此通信。对进程通信来讲, 这是一种最快但在某种程度上讲并非最 容易的方法。这些数据以一种非顺序的随机方式来访问。为避免不一致的情况, 常引入事件、 信号量来协调对共享内存段的访问。多个进程共同使用同一段物理内存空间, 不需要数据的 [1] 多次复制, 提高了进程间的通信性能, 但必须解决复杂的同步和互斥问题 。 - 1 - Fig.1 The principle of the shared memory 图 1 共享内存的工作原理 2.2. 事件 事件对象是同步对象的最基本形式，它与信号量和互斥量大不相同。信号量和互斥量通 常用来控制对数据的访问，但事件是用来发信号以表明某一操作已完成。事件最常用于一个 [2] 线程进行初始化以及完成时，它给另一线程发信号让其完成剩下的工作 。