Linux 进程间通信----共享内存

￡神魔★判官ぃ 2023-06-22 10:28 119阅读 0赞

**目录**

共享内存(Shared Memory)

通信原理

为什么共享内存通信最快?

基本特征/优缺点

共享内存的使用

共享内存操作流程

操作共享内存的函数

shmget()    shmat()   shmdt()    shmctl()      ftok()

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# 共享内存(Shared Memory) #

> 是**最快**(没有之一)的进程间通信方式 .
> 
> PS : 共享内存并没有提供同步互斥机制, 也就是说, 当一个进程对共享内存的写操作结束前, 并没有机制自动阻止另一个进
> 
> 程去读或写这块共享内存, 这样就可能造成混乱, 所以通常利用其他机制帮助共享内存实现同步, 比如利用信号量机制.

## 通信原理 ##

在物理内存上开辟一块内存空间,  然后映射到进程的虚拟地址空间, 进程就可以通过虚拟地址访问这块物理内存, 当多个进程映射

同一块物理内存时(不同进程以不同的虚拟地址, 映射同一块物理地址), 这样就可以通过这一块内存实现数据共享, 也就是进程间

通信.

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMDcxMDY4_size_16_color_FFFFFF_t_70][] 图片来源:百度图片

** 共享内存的数据结构如下 : **

struct shmid_ds {
        struct ipc_perm shm_perm; /* operation perms */
    
        int shm_segsz; /* size of segment (bytes) */
    
        __kernel_time_t shm_atime; /* last attach time */
    
        __kernel_time_t shm_dtime; /* last detach time */
    
        __kernel_time_t shm_ctime; /* last change time */
    
        __kernel_ipc_pid_t shm_cpid; /* pid of creator */
    
        __kernel_ipc_pid_t shm_lpid; /* pid of last operator */
    
        unsigned short shm_nattch; /* no. of current attaches */
    
        unsigned short shm_unused; /* compatibility */
    
        void *shm_unused2; /* ditto - used by DIPC */
    
        void *shm_unused3; /* unused */
    };

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### 为什么共享内存通信最快? ###

是因为共享内存是利用不同进程映射到同一块物理内存, 不同进程对于共享内存的访问都是通过虚拟地址直接访问, 没有涉及拷贝

或复制问题, 而其他通信机制利用内核中的缓冲区, 这就涉及到用户态和内核态之间的数据拷贝问题, 拖慢了效率. 所以共享内存最

快 .

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## 基本特征/优缺点 ##

*  并无自带同步与互斥, 所以不安全, 需要用户自己控制  
     
 *  生命周期随内核(共享内存不会随进程退出而销毁, 除非手动调用函数销毁)  
     
 *  往往与其它通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥  
     
 *  **优点 :** 优点很明显嘛, 天下武功, 唯快不破, 所以快(效率高)是最大的优点;  
               就是共享内存对数据类型没有限制(不算优点的优点);  
               通信方便 , 接口简单.  
     
 *  **缺点 :** 没有自带的同步互斥机制, 需要和信号量机制搭配使用, 让信号量来完成共享内存的同步互斥控制 .

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## 共享内存的使用 ##

> **ipcs**    //查看所有**System V IPC**
> 
> 选项 :  
>           -m 查看共享队列  
>           -q  查看消息队列  
>           -s 查看信号量  
> ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMDcxMDY4_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]
> 
> **ipcrm**  选项  id         // 删除进程间通信资源
> 
> 选项:  
>           -m 删除共享队列  
>           -q  删除消息队列  
>           -s  删除信号量  
> ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMDcxMDY4_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

### **共享内存操作流程** ###

1.  **创建**共享内存(开辟物理内存空间--具有标识符的)
2.  将共享内存**映射**到各个进程的虚拟地址空间
3.  通过虚拟地址进行**通信**操作
4.  **解除**共享关系
5.  **删除**共享内存

PS: 共享内存在映射到各个进程的虚拟地址空间时, 采用引用计数, 映射一个则加1, 解除与一个进程的连接时则减1, 所以, 当删除共享内存时, 如果引用计数不为0, 则不会马上删除, 而是将这块共享内存的key值设置为0, 表示这块共享内存不会再与任何进程发生连接(映射), 当这块共享内存的引用计数为0时, 则释放 .

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### 操作共享内存的函数 ###

### **shmget()** ###

功能：用来**创建**共享内存

原型 : int shmget(key\_t key, size\_t size, int shmflg);

参数:  
key:      key是标识共享内存的键值, (在IPC的通信模式下，不管是使用消息队列还是共享内存，甚至是信号量，每个IPC的对象                 (object)都有唯一的名字，称为“键”(key)。通过“键”，进程能够识别所用的对象。“键”与IPC对象的关系就如同文件名称之               于文件，通过文件名，进程能够读写文件内的数据，甚至多个进程能够共用一个文件。而在IPC的通讯模式下，通                       过“键”的使用也使得一个IPC对象能为多个进程所共用。  
size:     共享内存大小  
shmflg: 只需返回共享内存的shmid时选用IPC\_CREAT, 需要新创建时选用 (IPCEXECL | IPCCCREAT | 权限值 ) .

返回值：成功返回一个非负整数，即该共享内存段的标识码；失败返回-1功能：将共享内存段连接到进程地址空间

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### shmat() ###

功能：将共享内存段**连接(映射)**到进程地址空间

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

参数  
shmid:      共享内存标识(也就是shmget()成功时返回的操作句柄)  
shmaddr:  指定连接的地址  
shmflg:     它的两个可能取值是SHM\_RND(可读可写)和SHM\_RDONLY(只读)

返回值：成功返回一个指针，是共享内存首地址；失败返回-1

注意:

1.  shmaddr为NULL，核心自动选择一个地址
2.  shmaddr不为NULL且shmflg无SHM\_RND标记，则以shmaddr为连接地址。
3.  shmaddr不为NULL且shmflg设置了SHM\_RND标记，则连接的地址会自动向下调整为SHMLBA的整数倍, 公式：  
    shmaddr - (shmaddr % SHMLBA)
4.  shmflg=SHM\_RDONLY，表示连接操作用来只读共享内存

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### shmdt() ###

功能：**解除**共享内存段与当前进程的连接(或映射)

原型 :int shmdt(const void \*shmaddr);

参数 : shmaddr, 由shmat所返回的指针

返回值：成功返回0；失败返回-1

注意：将共享内存段与当前进程脱离不等于删除共享内存段

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### shmctl() ###

功能：用于控制共享内存

原型 : int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid\_ds \*buf);

参数 :  
shmid: 由shmget返回的共享内存标识码  
cmd:   将要采取的动作（有三个可取值）  
buf:     指向一个保存着共享内存的模式状态和访问权限的数据结构

返回值：成功返回0, 失败返回-1

<table style="width:700px;">  cmd的三个常用可取值  
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="text-align:center;">可选值</td> 
   <td style="text-align:center;">说明</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><span style="color:#7c79e5;">IPC_STAT</span></td> 
   <td>把shmid_ds结构中的关联数据设置为共享内存的当前关联值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><span style="color:#7c79e5;">IPC_SET</span></td> 
   <td>在进程有足够权限的前提下, 把共享内存的当前关联值设置为shmid_ds结构中给出的值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><span style="color:#7c79e5;">IPC_RMID</span></td> 
   <td>删除共享内存</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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### ftok() ###

功能 : 将路径名和项目标识符转换为System V IPC的key值、即msgget(创建消息队列的函数)、semget(创建信号量的函数)或                 shmget中的参数

原型 :  key\_t ftok(const char \*pathname, int proj\_id);

参数 :  
pathname : 必须存在的路径或文件  
proj\_id :      子序号, 虽然是int型, 但只使用后8位, 所以是一个8bit的整数, 范围是0~255 .

返回值 :当函数执行成功，则会返回key值,  否则返回-1.

***comm.h***

#ifndef _COMM_H_
    #define _COMM_H_
    #include<stdio.h>
    #include<sys/types.h>
    #include<sys/ipc.h>
    #include<sys/shm.h>
    #include<unistd.h>
    #define PATHNAME "."
    #define PROJ_ID 0x6666
    
    int createShm(int size);
    int destroyShm(int shmid);
    int getShm(int size);
    
    #endif

***comm.c***

#include"comm.h"
    static int commShm(int size, int flags){
        key_t key = ftok(PATHNAME, PROJ_ID);
        if(key < 0){
            perror("ftok");
            return -1;
        }
        int shmid = shmget(key, size, flags);
        if(shmid < 0){
            perror("shmget");
            return -2;
        }
       return shmid; 
    }
    int destroyShm(int shmid){
        if(shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) < 0){
            perror("shmctl");
            return -1;
        }
        return 0;
    }
    int createShm(int size){
        return commShm(size, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
    }
    int getShm(int size){
        return commShm(size, IPC_CREAT);
    }

*** client.c***

#include"comm.h"
    int main(){
        int shmid = getShm(4096);
        sleep(1);
        char* addr = shmat(shmid, NULL, 0);
        sleep(2);
        int i = 0;
        while(i < 26){
            addr[i] = 'A' + i;
            ++i;
            addr[i] = 0;
            sleep(1);
        }
        shmdt(addr);
        sleep(2);
        destroyShm(shmid);
        return 0;
    }

***server.c***

#include"comm.h"
    int main(){
        int shmid = createShm(4096);
        char *addr = shmat(shmid, NULL, 0);
        sleep(2);
        int i = 0; 
        while(i++ < 26){
            printf("client# %s\n", addr);
            sleep(1);
        }
        shmdt(addr);
        return 0;
    }

*** makefile ***

.PHONY:all
    	all:server client
    client:client.c comm.c 
    	gcc -o $@ $^ 
    server:server.c comm.c
    	gcc -o $@ $^
    .PHONY:clean
    	clean:
    	rm -f client server

先运行server, 再运行client

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMDcxMDY4_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

如果正常结束, 不需要手动删除共享内存, 当没有正常运行结束而退出, 比如ctrl+c , 就需要我们手动删除共享内存 .

![20191216165453661.png][]

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