Linux编程基础 5.4：共享内存

5 共享内存

共享内存允许两个或多个进程访问给定的同一块存储区域。它是效率最高的一种进程通信方式，节省了不同进程间多次读写的时间；
在写进程的操作尚未完成时，不应有进程从共享内存中读取数据。共享内存自身不限制对共享内存的读写次序，程序开发人员应自觉遵循读写规则；
一般情况下，共享内存与信号量一起使用，由信号量帮它实现读写操作的同步；
Linux提供了如下系统调用来实现共享内存的申请、管理与释放：
– shmget
– shmat
– shmdt
– shmctl

5.1 shmget函数

#include <sys/shm.h>int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

功能：创建一个新的共享内存或打开一块已存在的共享内存。

参数说明：

key：传入参数，共享内存的键值，通常为一个整数；
size：设置共享内存的大小；
shmflg：设置shmget函数的创建条件（一般设置为IPC_CREAT或IPC_EXCL）及进程对共享内存的读写权限。

返回值说明：

成功：返回共享内存的标识符，一个非负整数；
不成功：返回-1并设置errno。

5.2 shmat函数

#include <sys/shm.h>void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

功能：进行地址映射，将共享内存映射到进程虚拟地址空间中。

参数说明：

shmid：共享内标识符，通常为shmget函数的返回值；
shmaddr：指针类型的传入参数，用于指定共享内存映射到虚拟内存时的虚拟地址，设置为NULL时，映射地址由系统决定；
shmflg：设置共享内存的使用方式，如果shmflg = SHM_RDONLY，则共享内存将以只读的方式进行映射，当前进程只能从共享内存中读取数据。

返回值说明：

成功：返回映射的地址并更改共享内存shmid_ds结构中的属性信息；
不成功：返回-1并设置errno。

5.3 shmdt函数

#include <sys/shm.h>int shmdt(const void *shmaddr);

功能：解除物理内存与进程虚拟地址空间的映射关系。

参数说明：

shmaddr：shmat函数返回的虚拟空间地址。

返回值说明：

成功：返回映射的地址并更改共享内存shmid_ds结构中的属性信息；
不成功：返回-1并设置errno。

5.4 shmctl函数

#include <sys/shm.h>int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
//为了方便对共享内存进行管理，由内核维护的存储共享内存属性信息的结构体：
struct shmid_ds{struct ipc_perm shm_perm;			/* 操作权限*/size_t shm_segsz;                   /*段的大小（以字节为单位）*/time_t shm_atime;          			/*最后一个进程附加到该段的时间*/time_t shm_dtime;          			/*最后一个进程离开该段的时间*/time_t shm_ctime;          			/*最后一个进程修改该段的时间*/unsigned short shm_cpid;   			/*创建该段进程的pid*/unsigned short shm_lpid;   			/*在该段上操作的最后1个进程的pid*/short shm_nattch;          			/*当前附加到该段的进程的个数*//*下面是私有的*/unsigned short shm_npages;  		/*段的大小（以页为单位）*/unsigned long *shm_pages;   		/*指向frames->SHMMAX的指针数组*/struct vm_area_struct *attaches; 	/*对共享段的描述*/
};

功能：对已存在的共享内存进行操作，具体的操作由参数确定。

参数说明：

shmid：共享内存标识符；
cmd：要执行的操作，常用的设置为IPC_RMID，功能为删除共享内存；
buf：对共享内存的管理信息进行设置，该参数是结构体shmid_ds的指针。

返回值说明：

成功：返回0；
不成功：返回-1并设置errno。

特殊说明：

共享内存与消息队列、信号量相同，在使用完毕后都应该进行释放；
调用fork函数创建子进程时，子进程会继承父进程已绑定的共享内存；
当调用exec函数更改子进程功能及调用exit函数时，子进程都会解除与共享内存的映射关系，因此在必要时仍应使用shmctl函数对共享内存进行删除。

【案例1】使用共享内存机制实现两个进程间的通信。

shm_w.c
#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#define SEGSIZE 4096			//定义共享内存容量
typedef struct{					//读写数据结构体char name[8];int age;
} Stu;
int main() {int tempShmId, i;key_t tempKey;char tempName[8];Stu *tempSmap;/*ftok函数的作用：系统建立IPC通讯（如消息队列、共享内存时）必须指定一个ID值。通常情况下，该id值通过ftok函数得到。*/tempKey = ftok("/", 0);			//获取关键字if (tempKey == -1) {perror("ftok error");return -1;}//of ifprintf("key=%d\n", tempKey);//创建共享内存tempShmId= shmget(tempKey, SEGSIZE, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0664);if (tempShmId == -1) {perror("create shared memory error\n");return -1;}//of ifprintf("shm_id=%d\n", tempShmId);tempSmap = (Stu*)shmat(tempShmId, NULL, 0);	//将进程与共享内存绑定memset(tempName, 0x00, sizeof(tempName));strcpy(tempName, "Jhon");tempName[4] = '0';for (i = 0; i < 3; i++){					//写数据tempName[4] += 1;strncpy((tempSmap+ i)->name, tempName, 5);(tempSmap + i)->age = 20 + i;}//of for iif (shmdt(tempSmap) == -1){					//解除绑定perror("detach error");return -1;}//of ifreturn 0;
}//of mainshm_r.c
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
typedef struct{char name[8];int age;
} Stu;
int main() {int tempShmId, i;key_t tempKey;Stu *tempSmap;struct shmid_ds tempBuf;tempKey = ftok("/", 0);				//获取关键字if (tempKey == -1) {perror("ftok error");return -1;}//of ifprintf("key=%d\n", tempKey);tempShmId = shmget(tempKey, 0, 0);		//创建共享内存if (tempShmId == -1) {perror("shmget error");return -1;}//of ifprintf("shm_id=%d\n", tempShmId);tempSmap = (Stu*)shmat(tempShmId, NULL, 0);	//将进程与共享内存绑定for (i = 0; i < 3; i++){					//读数据printf("name:%s\n", (*(tempSmap + i)).name);printf("age ：%d\n", (*(tempSmap + i)).age);}//of for iif (shmdt(tempSmap) == -1){					//解除绑定perror("detach error");return -1;}//of ifshmctl(tempShmId, IPC_RMID, &tempBuf);			//删除共享内存return 0;
}//of main