共有メモリを使ったプロセス間通信(IPC)の仕組みと実装例

共有メモリとは

共有メモリとは、2つ以上のプロセス間で共有されるメモリ領域のことです。では、なぜメモリを共有したり、何らかの通信手段が必要になったりするのでしょうか。

繰り返しになりますが、各プロセスはそれぞれ独立したアドレス空間を持っています。あるプロセスが、自分のアドレス空間内の情報を使って他のプロセスと通信したい場合、IPC(プロセス間通信)の技術を利用するしかありません。なお、通信は親子関係にある関連プロセス同士でも、まったく無関係なプロセス同士でも行うことができます。

通常、関連するプロセス間の通信にはパイプ(Pipe)や名前付きパイプ(Named Pipe)が使われます。一方、無関係なプロセス間(たとえば、あるターミナルで動作するプロセスと別のターミナルで動作するプロセス)の通信には、名前付きパイプのほか、共有メモリやメッセージキューといった代表的なIPC技術が利用されます。

これまでの記事でパイプと名前付きパイプというIPC技術を取り上げてきました。ここからは、残りのIPC技術である共有メモリ、メッセージキュー、セマフォ、シグナル、メモリマッピングについて解説していきます。

共有メモリで使用するシステムコール

2つ以上のプロセス間で通信を行うために共有メモリを使用することはすでに説明しましたが、共有メモリを実際に使う前に、どのようなシステムコールを呼び出す必要があるのかを確認しておきましょう。

• 共有メモリセグメントを新規に作成する、または既存の共有メモリセグメントを取得する(shmget())
• プロセスを作成済みの共有メモリセグメントにアタッチする(shmat())
• プロセスをアタッチ済みの共有メモリセグメントからデタッチする(shmdt())
• 共有メモリセグメントに対する制御操作を行う(shmctl())

書き込み側と読み取り側のプロセス

ここでは2つのプロセスを作成します。片方はデータを書き込み、もう片方はデータを読み取ります。共有メモリを使って、ライター(書き込み側)プロセスとリーダー(読み取り側)プロセスがどのように動作するのかを見ていきましょう。

書き込み側(ライター)プログラムの例

#include <iostream>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
using namespace std;
main() {
    key_t my_key = ftok("shmfile",65); // ftok関数は一意なキーを生成するために使用
    int shmid = shmget(my_key,1024,0666|IPC_CREAT); // shmgetは識別子をshmidに返す
    char *str = (char*) shmat(shmid,(void*)0,0); // shmatで共有メモリに接続
    cout<<"Write Data : ";
    fgets(str, 50, stdin);
    printf("Data written in memory: %s\n",str);
    // 共有メモリからデタッチ
    shmdt(str);
}

読み取り側(リーダー)プログラムの例

#include <iostream>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
using namespace std;
main() {
    key_t my_key = ftok("shmfile",65); // ftok関数は一意なキーを生成するために使用
    int shmid = shmget(my_key,1024,0666|IPC_CREAT); // shmgetは識別子をshmidに返す
    char *str = (char*) shmat(shmid,(void*)0,0); // shmatで共有メモリに接続
    printf("Data read from memory: %s\n",str);
    shmdt(str);
    shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL); // 共有メモリを破棄
}

実行結果