【linux】系统编程-4-共享内存

前言

• 知识点
  • 消息队列、信号量 和 共享内存 被统称为 system-V IPC
    • 以上都是“持续性”资源，即它们被创建之后， 不会因为进程的退出而消失

6. 共享内存

6.1 概念

• 共享内存
  • 共享内存是进程间通信中最简单的方式之一
  • 是效率最高的一种IPC通信机制
  • 它允许多个不相关的进程访问同一个逻辑内存
  • 注意：
    • 共享内存需要用户自己维护，如同步、互斥等工作
    • 共享内存属于 临界资源 ，在某一时刻只能一个进程对其操作
    • 所以，共享内存一般配合信号量、互斥锁等协调机制使用
• 共享内存优点
  • 通信方便
  • 接口简单
  • 高效率
  • 任意进程都可对共享内存进行读写
• 共享内存缺点
  • 没有提个同步、互斥等机制，需要用户自己维护

6.2 操作函数

• 使用 shmget 函数创建或获取一个共享内存对象
• 使用 shmat 函数映射到进程的虚拟地址
• 使用 shmdt 函数解除映射，解除映射后，该解除不能再访问该共享内存
• 使用 shmctl 函数获取或设置共享内存的相关属性

6.2.1 shmget()

• 使用 shmget() 创建或获取一个信号量
• 通过命令 man 了解更多
• 所需要的头文件：

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

• 函数原型：int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
  • key：标识共享内存的键值
    • 0 或 IPC_PRIVATE：创建一个新的共享内存
    • 大于 0 的 32 位整数：视参数 shmflg 来确定操作
  • size：
    • 新建的共享内存大小，以字节为单位，但是会以 页 来取整
  • shmflg：
    • 0：取共享内存标识符，若不存在则函数会报错
    • IPC_CREAT：如果内核中不存在该共享内存，则创建一个新的共享内存；如果存在，则调用
    • IPC_CREAT|IPC_EXCL：如果内核中不存在该共享内存，则创建一个新的共享内存；如果存在，则报错
  • 返回：
    • 成功：返回该共享内存的标识符
    • 失败：返回 -1，错误原因记录在变量 error 中：
      • EINVAL：参数size小于 SHMMIN 或大于 SHMMAX
      • EEXIST：预建立key所指的共享内存，但已经存在
      • EIDRM：参数key所指的共享内存已经删除
      • ENOSPC：超过了系统允许建立的共享内存的最大值(SHMALL)
      • ENOENT：参数key所指的共享内存不存在，而参数shmflg未设IPC_CREAT位
      • EACCES：没有权限
      • ENOMEM：核心内存不足

6.2.2 shmat()

• 使用 shmat() 函数映射到进程的虚拟地址
• 通过命令 man 了解更多
• 所需要的头文件：

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

• 函数原型：void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
  • shmid：共享内存标识
  • shmaddr：
    • 不为 NULL：系统会根据 shmaddr 来选择一个合适的内存区域
    • 为 NULL：系统会自动选择一个合适的虚拟内存空间地址去映射共享内存
  • shmflg：操作共享内存的方式
    • SHM_RDONLY：以只读方式映射共享内存（其它为读写模式）
    • SHM_REMAP：重新映射，此时的 shmaddr 不能为 NULL
    • NULLSHM：自动选择比 shmaddr 小的最大也对齐地址
  • 返回：
    • 成功：返回共享内存的起始地址
    • 失败：返回 -1，错误原因记录在变量 error 中：
      • EACCES：无权限以指定方式连接共享内存
      • EINVAL：无效的参数shmid或shmaddr
      • ENOMEM：核心内存不足
• 注意：
  • 共享内存只能以 只读和读写方式映射，不能以只写方式映射
  • shmat()第二个参数 shmaddr
    • 一般都设为 NULL ，让系统自动找寻合适的地址。
    • 如果不为 NULL ，
      • 那么要求 SHM_RND 在 shmflg 必须被设置，系统便会将选择比 shmaddr 小而又最大的页对齐地址（即为SHMLBA的整数倍）作为共享内存区域的起始地址。（相当于自动对齐）
      • 如果没有设置 SHM_RND，那么 shmaddr 必须是严格的页对齐地址。（手动对齐）

6.2.3 shmdt()

• 使用 shmdt 函数解除映射，解除映射后，该解除不能再访问该共享内存
• 通过命令 man 了解更多
• 所需要的头文件：

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

• 函数原型：int shmdt(const void *shmaddr);
  • shmaddr：映射的共享内存的起始地址
  • 返回：
    • 成功：返回 0
    • 失败：返回 -1，错误原因记录在变量 error 中：
      • EINVAL：无效的参数shmaddr
• 说明：
  • 本函数调用并不删除所指定的共享内存区，而只是将先前用shmat函数连接（attach）好的共享内存脱离（detach）目前的进程

6.2.4 shmctl()

• 使用 shmctl 函数获取或设置共享内存的相关属性
• 通过命令 man 了解更多
• 所需要的头文件：

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

• 函数原型：int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
  • shmid：共享内存标识符
  • cmd：控制命令
    • IPC_STAT：获取属性信息，放置到buf中
    • IPC_SET：设置属性信息为buf指向的内容
    • IPC_RMID：删除该共享内存
    • IPC_INFO：获得关于共享内存的系统限制值信息
    • SHM_INFO：获得系统为共享内存消耗的资源信息
    • SHM_STAT：与IPC_STAT具有相同的功能，但shmid为该SHM在内核中记录所有SHM信息的数组的下标， 因此通过迭代所有的下标可以获得系统中所有SHM的相关信息
    • SHM_LOCK：禁止系统将该SHM交换至swap分区
    • SHM_UNLOCK：允许系统将该SHM交换至swap分。
  • buf：共享内存管理结构体

    struct shmid_ds {
        struct ipc_perm shm_perm;    /* 所有权和权限 */
        size_t          shm_segsz;   /* 共享内存尺寸（字节） */
        time_t          shm_atime;   /* 最后一次映射时间 */
        time_t          shm_dtime;   /* 最后一个解除映射时间 */
        time_t          shm_ctime;   /* 最后一次状态修改时间 */
        pid_t           shm_cpid;    /* 创建者PID */
        pid_t           shm_lpid;    /* 后一次映射或解除映射者PID */
        shmatt_t        shm_nattch;  /* 映射该SHM的进程个数 */
        ...};
      
    struct ipc_perm {
        key_t          __key;    /* 该共享内存的键值key */
        uid_t          uid;      /* 所有者的有效UID */
        gid_t          gid;      /* 所有者的有效GID */
        uid_t          cuid;     /* 创建者的有效UID */
        gid_t          cgid;     /* 创建者的有效GID */
        unsigned short mode;     /* 读写权限 + SHM_DEST + SHM_LOCKED 标记 */
        unsigned short __seq;    /* 序列号 */
    };  
    

  • 返回：
    • 成功：0
    • 失败：返回 -1，错误原因记录在变量 error 中：
      • EACCESS：参数cmd为IPC_STAT，却无权限读取该共享内存
      • EFAULT：参数buf指向无效的内存地址
      • EIDRM：标识符为shmid的共享内存已被删除
      • EINVAL：无效的参数cmd或shmid
      • EPERM：参数cmd为IPC_SET或IPC_RMID，却无足够的权限执行

6.3 例子

• 共享内存写进程

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include "sem.h"

int main()
{
    int running = 1;
    void *shm = NULL; // 共享内存首地址（*本进程的虚拟地址*）
    struct shared_use_st *shared = NULL;
    char buffer[BUFSIZ + 1];
    int shmid; //共享内存标识符
    int semid; //信号量标识符

    //创建共享内存    
    shmid = shmget((key_t)1234, 4096, 0644 | IPC_CREAT);    
    if(shmid == -1)
    {
        fprintf(stderr, "shmget failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    //将共享内存连接到当前进程的地址空间    
    shm = shmat(shmid, (void*)0, 0);    
    if(shm == (void*)-1)
    {
        fprintf(stderr, "shmat failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("Memory attached at %p\n", shm);

    /* 打开信号量，不存在则创建一个信号量 */
    semid = semget((key_t)6666, 1, 0666|IPC_CREAT);
    if(semid == -1)
    {
        printf("sem open fail\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    while(running)//向共享内存中写数据
    {
        //向共享内存中写入数据
        printf("Enter some text: ");        
        fgets(buffer, BUFSIZ, stdin); // 阻塞等待标准输入
        strncpy(shm, buffer, 4096);

        sem_v(semid);/* 释放信号量 */

        //输入了end，退出循环（程序）
        if(strncmp(buffer, "end", 3) == 0)
            running = 0;
    }

    //把共享内存从当前进程中分离    
    if(shmdt(shm) == -1)    
    {
        fprintf(stderr, "shmdt failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    sleep(2);
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

• 共享内存读进程

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include "sem.h"

int main(void)
{
    int running = 1;//程序运行标志
    char *shm = NULL;// 共享内存首地址（*本进程的虚拟地址*）
    int shmid;// 共享内存标识符
    int semid;// 信号量标识符

    //创建共享内存    
    shmid = shmget((key_t)1234, 4096, 0666 | IPC_CREAT);    
    if(shmid == -1)
    {
        fprintf(stderr, "shmget failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    //将共享内存连接到当前进程的地址空间    
    shm = shmat(shmid, 0, 0);    
    if(shm == (void*)-1)
    {
        fprintf(stderr, "shmat failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("\nMemory attached at %p\n", shm);

    /* 打开信号量，不存在则创建一个信号量 */
    semid = semget((key_t)6666, 1, 0666|IPC_CREAT); /* 创建一个信号量 */    
    if(semid == -1)
    {
        printf("sem open fail\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    init_sem(semid, 0); // 初始化信号量的值为 0

    while(running)// 读取共享内存中的数据
    {
        /** 等待信号量 */
        if(sem_p(semid) == 0)
        {            
            printf("You wrote: %s", shm);            
            sleep(rand() % 3);

            //输入了end，退出循环（程序）
            if(strncmp(shm, "end", 3) == 0)
                running = 0;
        }
    }

    del_sem(semid); /* 删除信号量 */

    //把共享内存从当前进程中分离
    if(shmdt(shm) == -1)
    {
        fprintf(stderr, "shmdt failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    //删除共享内存
    if(shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1)
    {
        fprintf(stderr, "shmctl(IPC_RMID) failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

参考：

* 野火