共享内存-进程间通信

共享内存

1. 概述

共享内存是一种进程间通信的机制，它允许多个进程在它们的地址空间中映射相同的一块物理内存，从而实现进程之间的数据共享。通过共享内存，不同进程可以直接读取和写入这块内存，而无需经过内核空间，因此通常比其他进程间通信机制更为高效。在所有进程间通信的方式中共享内存的效率是最高的。

共享内存的主要特点包括：

1. 直接访问： 共享内存允许多个进程直接访问相同的内存区域，无需通过中间缓冲区或消息传递的方式，提高了数据传输的效率。
2. 高效： 由于不涉及内核空间的数据传输，共享内存通常比其他进程间通信方式（如管道或消息队列）更为高效。
3. 持久性： 共享内存通常是持久性的，即在进程结束后，共享内存仍然存在，其他进程仍然可以访问其中的数据。
4. 不同步机制： 共享内存本身并不提供同步机制，因此在多进程访问共享内存时，需要使用其他同步手段，如信号量或互斥锁，以避免数据一致性问题。

2. 创建/打开共享内存

2.1 shmget函数

shmget 是一个用于创建或获取共享内存段的系统调用。在 POSIX 系统中，它通常用于进程间通信，允许多个进程共享同一块内存。以下是 shmget 函数的一般形式：

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

参数说明：

• key：共享内存段的键值，用于唯一标识一个共享内存段。可以使用 ftok 函数生成键值，或者使用 IPC_PRIVATE 表示创建一个新的共享内存段。
• size：共享内存段的大小，以字节为单位。
• shmflg：标志参数，用于指定操作的方式。可以是以下标志的组合：
  • IPC_CREAT：如果共享内存段不存在，则创建一个新的。
  • IPC_EXCL：与 IPC_CREAT 一起使用，如果共享内存段已存在，则报错。
  • 权限标志（例如 0666）：指定共享内存段的权限。

返回值：

• 成功时，返回共享内存段的标识符（非负整数），可以用于后续的操作。
• 失败时，返回 -1，并设置全局变量 errno 表示错误原因。

函数使用举例:

• 创建一块大小为4k的共享内存

shmget(100, 4096, IPC_CREAT|0664);

• 创建一块大小为4k的共享内存, 并且检测是否存在

// 	如果共享内存已经存在, 共享内存创建失败, 返回-1, 可以perror() 打印错误信息
shmget(100, 4096, IPC_CREAT|0664|IPC_EXCL);

2.2 ftok函数

ftok 函数是一个用于生成键值（key）的辅助函数，通常用于创建或获取共享内存、消息队列等 IPC（Inter-Process Communication）机制的标识符。ftok 的声明如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

参数说明：

• pathname：一个已经存在的文件的路径名。ftok 通过使用指定文件的 inode 和 proj_id 来生成唯一的键值。
• proj_id：是一个整数值，通常是 0 到 255 之间的一个数字。它被用于加密 inode，以产生最终的键值。

返回值：

• 如果成功，返回生成的键值。
• 如果失败，返回 -1，并设置全局变量 errno 表示错误原因。

使用举例:

// 根据路径生成一个key_t
key_t key = ftok("/home/robin", 'a');
// 创建或打开共享内存
shmget(key, 4096, IPC_CREATE|0664);

3. 关联和解除关联

3.1 shmat

创建**/打开共享内存之后还必须和共享内存进行关联，这样才能得到共享内存的起始地址**，通过得到的内存地址进行数据的读写操作，关联函数的原型如下：

void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

参数:

• shmid: 要操作的共享内存的ID, 是 shmget() 函数的返回值
• shmaddr: 共享内存的起始地址, 用户不知道, 需要让内核指定, 写NULL
• shmflg: 和共享内存关联的对共享内存的操作权限
  • SHM_RDONLY: 读权限, 只能读共享内存中的数据
  • 0: 读写权限，可以读写共享内存数据

返回值：关联成功，返回值共享内存的起始地址，关联失败返回 (void *) -1

3.2 shmdt

当进程不需要再操作共享内存，可以让进程和共享内存解除关联，另外如果没有执行该操作，进程退出之后，结束的进程和共享内存的关联也就自动解除了。

int shmdt(const void *shmaddr);

• 参数：shmat() 函数的返回值, 共享内存的起始地址
• 返回值：关联解除成功返回0，失败返回-1

4. 删除共享内存

4.1 shmctl

shmctl 函数用于控制共享内存段，包括获取共享内存段信息、设置权限和删除共享内存段等操作。以下是 shmctl 函数的一般形式：

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

参数说明：

• shmid：共享内存段的标识符，通常由 shmget 返回。
• cmd：控制命令，用于指定 shmctl的操作方式。可以是以下常量之一：
  • IPC_STAT：获取共享内存段的信息，并将结果存储在 buf 结构体中。
  • IPC_SET：设置共享内存段的信息，使用 buf 结构体中的数据。
  • IPC_RMID：删除共享内存段。
• buf：用于存储或传递信息的结构体指针，通常是 struct shmid_ds 类型的结构体。
  • cmd==IPC_STAT, 作为传出参数, 会得到共享内存的相关属性信息
  • cmd==IPC_SET, 作为传入参数, 将用户的自定义属性设置到共享内存中
  • cmd==IPC_RMID, buf就没意义了, 这时候buf指定为NULL即可

结构体:

// 参数 struct shmid_ds 结构体原型          
struct shmid_ds {
	struct ipc_perm shm_perm;    /* Ownership and permissions */
	size_t          shm_segsz;   /* Size of segment (bytes) */
	time_t          shm_atime;   /* Last attach time */
	time_t          shm_dtime;   /* Last detach time */
	time_t          shm_ctime;   /* Last change time */
	pid_t           shm_cpid;    /* PID of creator */
	pid_t           shm_lpid;    /* PID of last shmat(2)/shmdt(2) */
    // 引用计数, 多少个进程和共享内存进行了关联
	shmatt_t        shm_nattch;  /* 记录了有多少个进程和当前共享内存进行了管联 */
	...
};

返回值：

• 成功时，根据命令不同，返回相应的信息或执行成功的状态。通常返回 0。
• 失败时，返回 -1，并设置全局变量 errno 表示错误原因。

4.2 相关shell命令

使用ipcs 添加参数-m可以查看系统中共享内存的详细信息

使用 ipcrm 命令可以标记删除某块共享内存

4.3 共享内存状态

struct shmid_ds的结构体中，其中有一个非常重要的成员叫做shm_nattch，在这个成员变量里边记录着当前共享内存关联的进程的个数，一般将其称之为引用计数。当共享内存被标记为删除状态，并且这个引用计数变为0之后共享内存才会被真正的被删除掉。

当共享内存被标记为删除状态之后，共享内存的状态也会发生变化，共享内存内部维护的key从一个正整数变为0，其属性从公共的变为私有的。这里的私有是指只有已经关联成功的进程才允许继续访问共享内存，不再允许新的进程和这块共享内存进行关联了。

5. 进程间通信

下面是一个简单的 C 语言示例，演示了如何使用共享内存实现两个相关进程之间的通信。一个进程写入数据到共享内存，另一个进程从共享内存读取数据：

进程1 - 写入数据到共享内存：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#define SHARED_MEMORY_KEY 1234
#define SHARED_MEMORY_SIZE 1024

int main() {
    // 创建或获取共享内存段
    int shmid = shmget(SHARED_MEMORY_KEY, SHARED_MEMORY_SIZE, IPC_CREAT | 0666);
    if (shmid == -1) {
        perror("shmget");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 连接到共享内存段
    void *shared_memory = shmat(shmid, NULL, 0);
    if (shared_memory == (void*)-1) {
        perror("shmat");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 写入数据到共享内存
    char* char_shared_memory = (char*)shared_memory;
    strcpy(char_shared_memory, "Hello, shared memory!");

    // 等待一段时间，模拟进程间同步
    sleep(5);

    // 解除连接
    shmdt(shared_memory);

    return 0;
}

进程2 - 从共享内存读取数据：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/ipc.h>

#define SHARED_MEMORY_KEY 1234
#define SHARED_MEMORY_SIZE 1024

int main() {
    // 获取共享内存段
    int shmid = shmget(SHARED_MEMORY_KEY, SHARED_MEMORY_SIZE, 0666);
    if (shmid == -1) {
        perror("shmget");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 连接到共享内存段
    void *shared_memory = shmat(shmid, NULL, 0);
    if (shared_memory == (void*)-1) {
        perror("shmat");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 读取数据从共享内存
    printf("Received message: %s\n", (char*)shared_memory);

    // 解除连接
    shmdt(shared_memory);

    return 0;
}

记住要删除共享内存(代码中实现也可以)