Linux学习笔记之八（进程间的共享内存）

Linux

1、引言
2、实现共享内存
- 2.1、创建一个共享内存
- 2.2、将共享内存链接到进程空间
- 2.3、断开与共享内存的链接
- 2.4、对共享内存进行后续操作
3、应用实例

1、引言

在之前一篇文章Linux学习笔记之六（进程之间的管道通信和信号处理）中我讲了进程间可以通过管道通信。管道通信也是在内存中某个地方开辟一块内存，让不同进程可以访问它，进而实现通信的目的。
而本文所讲的共享内存也大概是这么一个逻辑，不过相较与管道通信，内存共享实现起来更加复杂，也没有读写阻塞功能，但执行起来的效率也更加高，似乎是最快的进程通信方式。

2、实现共享内存

共享内存其任务在于从物理内存中申请一块内存区域，然后将这个区域映射到不同进程的空间中。进而进程访问该共享区域，进行读写操作。下图截取于B站，该图比较清晰明了说明了共享内存的运行逻辑。从这张图可以看出，任何进程都有自己的空间，而这些空间本质是取之于物理内存，但取的顺序则是杂乱的。共享内存无非是一块大家都可以取走的内存块而已。
在这里插入图片描述
接下来说明实现共享内存的基本步骤：
第一步：创建一个共享内存
第二步：将共享内存链接到进程空间
第三步：断开与共享内存的链接
第四步：对共享内存进行后续操作（如销毁）

2.1、创建一个共享内存

创建一个共享内存用到的函数是shmget(share memory get)，其函数原型如下：

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

参数概览：

key：设置该共享内容的关键字标识。
size：指定共享内存的空间大小。
shmflag：设置共享内存的访问权限。
返回值：创建成功则返回共享内存标识符，失败则返回-1.

参数详解：
1. key参数：key 参数是一个用于标识共享内存段的关键字。它允许多个进程通过使用相同的 key 参数来访问同一个共享内存段。这就是说，如果多个进程想要访问同一个共享内存段，它们必须提供相同的 key 参数值。
通常情况下，key 参数可以是一个由 ftok() 函数生成的键值（通过给定文件路径名和一个项目标识符来生成唯一的键值），也可以是手动指定的一个键值，也可以通过一些宏指定一些key值。
关于ftok函数，其函数原型如下：

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

第一个参数是真实存在的文件路径，第二个参数是项目的id，可以自己设定。
计算机会根据这两个参数的组合，生成一个独一无二的key值，保证不同进程可以访问同一个内存空间。
2. size参数：一般而言我们会设置成4096的整数倍，因为计算机的最小内存单元就是4kB，但如果不设置成4096的整数倍也无所谓，计算机会根据自动帮你调整到合适的值。比如你设置2009，计算机也会帮你调整到4096.
2. shmflag参数：该参数用于设置共享内存的访问权限，一般由一些宏和四位整数组成，比如0777 | IPC_CREAT。权限的设置相信大家都耳熟能详了，第一位0表示后面的三位数字是八进制数字，777分别表示，用户、用户组、其他人的权限。7会被拆解位111，分别表示rwx（读写执行）三个权限。
常见的宏有：
IPC_CREAT：若共享内存存在则打开，否则创建一个。
IPC_EXCL：若共享内存不存在则创建，否则报错。
IPC_NOWAIT：若该操作需要等待，直接报错。

最后是调用该函数需要头文件（后文提到的所有函数也需要包含这几个头文件）：

#include "sys/types.h"
#include "sys/ipc.h"
#include "sys/shm.h"

2.2、将共享内存链接到进程空间

在这一步用到函数是shmat，其函数原型如下：

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

参数概览：

shmid：这里输入的是共享内存的标识符，其实就是shmget函数的返回值。
void *addr：指定链接到进程中的哪个地址块，一般不需要指定，由计算机自动分配即可。
int shmflg：标志位，一般设置为0即可。
返回值：成功则返回共享内存在进程空间中的链接地址，失败则返回-1。

注：void *指的是无类型指针，无类型换一种理解方式就是，可以赋予它任意类型。
通过这个步骤，我们拿到了链接地址，再用这个地址来索引相应的内存空间之后，便可以进行读写操作，以实现进程通信。

2.3、断开与共享内存的链接

进程通信结束之后自然是要将进程与共享内存之间的链接断开。这一步用到的函数时shmdt，其函数原型如下：

int shmdt(const void *address);

void *address：该地址指的进程空间中的链接地址。一般就是shmat中的返回值了。
返回值：成功则返回0，失败则返回-1。

2.4、对共享内存进行后续操作

进程通信结束，链接也断开，下一步自然是要考虑如何回收或销毁这个共享内存了。用到的函数时shmctl，其函数原型如下：

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

shm_id：共享内存对象的id，即内存的标识符。一般时shmget的返回值。
command：指定对该内存的操作命令，主要有删除命令(IPC_RMID)。
shmid_ds *buf：该参数用于获取内核结构的结构值，一般也不用。故直接设置为0即可。

最后注意一点，如果使用调用shmctl(shmid, IPC_RMID, 0)这句话，最后删除的只是共享内存的标识符，使系统不再维护该内存标识符，而不是真正把共享内存释放掉。如果想要共享内存被释放掉，则需要等到该内存没有被任何进程调用时，系统才会自动被释放掉。

3、应用实例

本例子的目的：创建两个进程A和B，A进程往共享内存写入数据，B进程将数据读出来。
故，首先创建一个进程A，去往一块共享内存写入数据。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "sys/types.h"
#include "sys/ipc.h"
#include "sys/shm.h"int main()
{key_t key  = ftok("$HOME/shared_memory/program_A.c", 9);        //generate a unique keyint shmid = shmget(key, 4096, 0751|IPC_CREAT);                  //create a shared memorychar *addr = shmat(shmid, 0, 0);        //link the shared memory with this program               char buffer[100];           //create a buffer for writing datawhile(1){printf("\nPlease input a character: ");fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin);if(strcmp(buffer, "q\n") == 0)              //judge whether what I input is 'q' or notbreak;                                  strncpy(addr, buffer, sizeof(buffer));          //writing data into the shared memory}if(shmdt(addr) == 0){printf("disconnect shared memory successfully!\n");}else{printf("fail to disconnect!\n");}if(shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == 0){printf("delete the identifer successfully!\n");}else{printf("the identifer already be deleted!\n");}return 0;
}

其次，创建一个进程B，从共享内存中读取数据。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "sys/types.h"
#include "sys/ipc.h"
#include "sys/shm.h"int main()
{key_t key  = ftok("$HOME/shared_memory/program_A.c", 9);      int shmid = shmget(key, 4096, 0751|IPC_CREAT);                  char *addr = shmat(shmid, 0, 0);                     while(1){char input;printf("please input a character: ");scanf("%c", &input);if(input == 'q')break;int c;while ((c = getchar()) != '\n' && c != EOF) {}printf("what i receive is: %s\n", addr);}if(shmdt(addr) == 0){printf("disconnect successfully!\n");}else{printf("fail to disconnect!\n");}if(shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == 0){printf("delete successfully!\n");}else{printf("the identifer already be deleted!\n");}return 0;
}