Linux多进程(二)进程通信方式三 共享内存

共享内存提供了一个在多个进程间共享数据的方式，它们可以直接访问同一块内存区域，因此比使用管道或消息队列等通信机制更高效。在多进程程序中，共享内存通常与信号量一起使用，以确保对共享内存的访问是线程安全的。

一、打开/创建共享内存

shmget系统调用创建一段新的共享内存，或者获取一段已经存在的共享内存。其定义如下：

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

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

• key: 共享内存标识符，可以由 ftok 函数生成或使用 IPC_PRIVATE。
• size: 要创建的共享内存段的大小（以字节为单位）。
• shmflg: 创建共享内存的标志，通常为权限标志（例如 0666），也可以与 IPC_CREAT 或 IPC_EXCL 等组合使用。
  • SHM_HUGETLB：类似于mmap的MAP_HUGETLB标志，系统将使用“大页面”来为共享内存分配空间。
  • SHM_NORESERVE，类似于mmap的MAP_NORESERVE标志，不为共享内存保留交换分区（swap空间）。这样，当物理内存不足的时候，对该共享内存执行写操作将触发SIGSEGV信号。
  • IPC_CREAT: 创建新的共享内存，如果创建共享内存, 需要指定对共享内存的操作权限，比如：IPC_CREAT | 0664
  • IPC_EXCL: 检测共享内存是否已经存在了，必须和 IPC_CREAT一起使用

shmget 函数的返回值是共享内存的标识符（如果成功），或者在出错时返回 -1，并设置 errno 来指示错误的原因。

用shmget创建共享内存则这段共享内存的所有字节都被初始化为0，与之关联的内核数据结构shmid_ds将被创建并初始化。shmid_ds结构体的定义如下：

struct shmid_ds {
    struct ipc_perm shm_perm;/*共享内存的操作权限*/
    size_t shm_segsz;        /*共享内存大小，单位是字节*/
    __time_t shm_atime;      /*对这段内存最后一次调用shmat的时间*/
    __time_t shm_dtime;      /*对这段内存最后一次调用shmdt的时间*/
    __time_t shm_ctime;      /*对这段内存最后一次调用shmctl的时间*/
    __pid_t shm_cpid;        /*创建者的PID*/
    __pid_t shm_lpid;        /*最后一次执行shmat或shmdt操作的进程的PID*/
    shmatt_t shm_nattach;    /*目前关联到此共享内存的进程数量，引用计数*/
    /*省略一些填充字段*/
};

1.1、函数使用举例

创建一块大小为4KB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, 置errno
shmget(100, 4096, IPC_CREAT|0664|IPC_EXCL);

打开一块已经存在的共享内存

// 函数参数虽然指定了大小和IPC_CREAT, 但是都不起作用, 因为共享内存已经存在, 只能打开, 参数4096也没有意义
shmget(100, 4096, IPC_CREAT|0664);
shmget(100, 0, 0);

打开一块共享内存, 如果不存在就创建

shmget(100, 4096, IPC_CREAT|0664);

1.2、ftok

shmget() 函数的第一个参数是一个大于0的正整数，如果不想自己指定可以通过 ftok()函数直接生成这个key值

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

// 将两个参数作为种子, 生成一个 key_t 类型的数值
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

• pathname: 当前操作系统中一个存在的路径
• proj_id: 这个参数只用到了int中的一个字节, 传参的时候要将其作为 char 进行操作，取值范围: 1-255
• 返回值：函数调用成功返回一个可用于创建、打开共享内存的key值，调用失败返回-1

二、关联和解除关联

共享内存被创建/获取之后，我们不能立即访问它，而是需要先将它关联到进程的地址空间中。使用完共享内存之后，我们也需要将它从进程地址空间中分离。

#include <sys/shm.h>

void* shmat(int shm_id, const void* shm_addr, int shmflg);
int shmdt(const void* shm_addr);

• shm_id参数是由shmget调用返回的共享内存标识符

• shm_addr参数指定将共享内存关联到进程的哪块地址空间，一般来讲用户不知道，需要置NULL

• shmflg参数的可选标志:

  • 如果shm_addr为NULL，则被关联的地址由操作系统选择
  • 如果shm_addr非空，并且SHM_RND标志未被设置，则共享内存被关联到addr指定的地址处
  • 如果shm_addr非空，并且设置了SHM_RND标志，则被关联的地址是[shm_addr-(shm_addr%SHMLBA)]。SHMLBA的含义是“段低端边界地址倍数”（Segment Low Boundary Address Multiple），它必须是内存页面大小（PAGE_SIZE）的整数倍。现在的Linux内核中，它等于一个内存页大小。这个标志的意义更像是取整。
  • SHM_RDONLY：进程仅能读取共享内存中的内容。若没有指定该标志，则进程可同时对共享内存进行读写操作
  • SHM_REMAP：如果地址shmaddr已经被关联到一段共享内存上，则重新关联。
  • SHM_EXEC：它指定对共享内存段的执行权限。对共享内存而言，执行权限实际上和读权限是一样的。
  • 0：读写权限

三、设置共享内存

3.1、shmctl

shmctl系统调用控制共享内存的某些属性。其定义如下：

#include <sys/shm.h>

int shmctl(int shm_id, int command, struct shmid_ds* buf);

• shm_id参数是由shmget调用返回的共享内存标识符。

• command参数指定要执行的命令

3.2、shell

使用ipcs 添加参数-m可以查看系统中共享内存的详细信息

ipcs -m

使用 ipcrm 命令可以标记删除某块共享内存

# key == shmget的第一个参数
$ ipcrm -M shmkey  

# id == shmget的返回值
$ ipcrm -m shmid	

四、共享内存的POSIX方法

利用mmap函数的MAP_ANONYMOUS标志可以实现父、子进程之间的匿名内存共享。通过打开同一个文件，mmap也可以实现无关进程之间的内存共享。Linux提供了另外一种利用mmap在无关进程之间共享内存的方式。这种方式无须任何文件的支持，但它需要先使用如下函数来创建或打开一个POSIX共享内存对象：

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int shm_open(const char* name, int oflag, mode_t mode);

• name参数指定要创建/打开的共享内存对象。从可移植性的角度考虑，该参数应该使用“/somename”的格式：以“/”开始，后接多个字符，且这些字符都不是“/”；以“＼0”结尾，长度不超过NAME_MAX（通常是255）。

• oflag参数指定创建方式。它可以是下列标志中的一个或者多个的按位或：

  • O_RDONLY。以只读方式打开共享内存对象
  • O_RDWR。以可读、可写方式打开共享内存对象。
  • O_CREAT。如果共享内存对象不存在，则创建之。此时mode参数的最低9位将指定该共享内存对象的访问权限。共享内存对象被创建的时候，其初始长度为0。
  • O_EXCL。和O_CREAT一起使用，如果由name指定的共享内存对象已经存在，则shm_open调用返回错误，否则就创建一个新的共享内存对象。
  • O_TRUNC。如果共享内存对象已经存在，则把它截断，使其长度为0。

• shm_open调用成功时返回一个文件描述符。该文件描述符可用于后续的mmap调用，从而将共享内存关联到调用进程。shm_open失败时返回-1，并设置errno。

shm_open创建的共享内存对象使用完之后也需要被删除。这个过程是通过如下函数实现的：

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

int shm_unlink(const char* name);

该函数将name参数指定的共享内存对象标记为等待删除。当所有使用该共享内存对象的进程都使用ummap将它从进程中分离之后，系统将销毁这个共享内存对象所占据的资源。

如果代码中使用了上述POSIX共享内存函数，则编译的时候需要指定链接选项-lrt。

五、仿真

写共享内存的进程

int main()
{   
    // 创建共享内存
    int key = ftok("./shm",'A');
    int shm_key = shmget(key,4096,IPC_CREAT|0666);
    // 将共享内存关联到进程的地址空间
    void* shm_addr = shmat(shm_key,NULL,0);
    // 共享内存中写入数据
    const char * str = "你好，我是发送共享内存的线程\n";
    memcpy(shm_addr,str,strlen(str));
    // 休眠十秒
    sleep(10);
    // 解除共享内存与地址空间的关联
    shmctl(shm_key,IPC_RMID,NULL);
    
    return 0;
}

读共享内存的进程

int main()
{
    // 打开共享内存
    int key = ftok("./shm",'A');
    int shm_key = shmget(key,4096,IPC_CREAT|0666);
    // 将共享内存关联到进程的地址空间
    void* shm_addr = shmat(shm_key,NULL,0);
    // 读取共享内存
    printf("共享内存数据: %s\n", (char*)shm_addr);
     // 删除共享内存
    shmctl(shm_key, IPC_RMID, NULL);
    printf("共享内存已经被删除...\n");

    return 0;
}

仿真结果