【Linux多进程通信】共享内存

文章参考自：/article/1349533.html（ljianhui的专栏）以及/article/1496679.html（liranke的专栏）

一、什么是共享内存

共享内存就是允许两个不相关的进程访问同一块内存。共享内存是在两个正在运行的进程之间共享和传递数据的一种非常有效的方式。不同进程之间共享的内存通常安排为同一段物理内存。进程可以将同一段共享内存连接到它们自己的地址空间中，所有进程都可以访问共享内存中的地址。如果某个进程向共享内存写入数据，所做的改动将立即影响到可以访问同一段共享内存的任何其他进程。

特别提醒：共享内存并未提供同步机制，也就是说，在第一个进程结束对共享内存的写操作之前，并无自动机制可以阻止第二个进程开始对它进行读取。所以我们通常需要用其他的机制来同步对共享内存的访问，例如信号量、互斥锁，读写锁，记录锁等。

二、共享内存的使得

Linux提供了一组函数接口用于使用共享内存，它们声明在头文件 sys/shm.h中。

1、shmget函数

该函数用来创建共享内存，它的原型为：

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

第一个参数，程序需要提供一个参数key（非0整数），它有效地为共享内存段命名，shmget函数成功时返回一个与key相关的共享内存标识符（非负整数），用于后续的共享内存函数。调用失败返回-1.

shmget() returns the identifier of the System V shared memory segment associated with the value of the argument key. A new shared memory segment, with size equal to the value of size
rounded up to a multiple of PAGE_SIZE, is created if key has the value IPC_PRIVATE or key isn't IPC_PRIVATE, no shared memory segment corresponding to key exists, and IPC_CREAT is specified in shmflg.

不相关的进程可以通过该函数的返回值访问同一共享内存，它代表程序可能要使用的某个资源，程序对所有共享内存的访问都是间接的，程序先通过调用shmget函数并提供一个键，再由系统生成一个相应的共享内存标识符（shmget函数的返回值），只有shmget函数才直接使用信号量键，所有其他的信号量函数使用由semget函数返回的信号量标识符。

第二个参数，size以字节为单位指定需要共享的内存容量

第三个参数，shmflg是权限标志，它的作用与open函数的mode参数一样，如果要想在key标识的共享内存不存在时，创建它的话，可以与IPC_CREAT做或操作。共享内存的权限标志与文件的读写权限一样，举例来说，0644,它表示允许一个进程创建的共享内存被内存创建者所拥有的进程向共享内存读取和写入数据，同时其他用户创建的进程只能读取共享内存。

2、shmat函数

第一次创建完共享内存时，它还不能被任何进程访问，shmat函数的作用就是用来启动对该共享内存的访问，并把共享内存连接到当前进程的地址空间。它的原型如下：

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

第一个参数，shm_id是由shmget函数返回的共享内存标识。

第二个参数，shm_addr指定共享内存连接到当前进程中的地址位置，通常为空，表示让系统来选择共享内存的地址。

第三个参数，shm_flg是一组标志位，通常为0。

调用成功时返回一个指向共享内存第一个字节的指针，如果调用失败返回-1.

3、shmdt函数

该函数用于将共享内存从当前进程中分离。注意，将共享内存分离并不是删除它，只是使该共享内存对当前进程不再可用。它的原型如下：

int shmdt(const void *shmaddr);

参数shmaddr是shmat函数返回的地址指针，调用成功时返回0，失败时返回-1.

4、shmctl函数

与信号量的semctl函数一样，用来控制共享内存，它的原型如下：

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

第一个参数，shm_id是shmget函数返回的共享内存标识符。

第二个参数，command是要采取的操作，它可以取下面的三个值 ：

IPC_STAT：把shmid_ds结构中的数据设置为共享内存的当前关联值，即用共享内存的当前关联值覆盖shmid_ds的值。

IPC_SET：如果进程有足够的权限，就把共享内存的当前关联值设置为shmid_ds结构中给出的值

IPC_RMID：删除共享内存段

第三个参数，buf是一个结构指针，它指向共享内存模式和访问权限的结构。

shmid_ds结构至少包括以下成员：

struct shmid_ds
{
uid_t shm_perm.uid;
uid_t shm_perm.gid;
mode_t shm_perm.mode;
};

三、使用共享内存进行进程间通信

这里给出一个简单的例子，剩下的以后再开发：

#include <stdio.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

struct shared_data{
int a;
int b;
};

int main()
{
int shmid;
struct shared_data *data_ptr;

shmid = shmget(IPC_PRIVATE, sizeof(struct shared_data), 0664 | IPC_CREAT);
if(fork() == 0)
{
data_ptr = (struct shared_data*) shmat(shmid, 0, 0);
data_ptr->a = 10;
data_ptr->b = 5;
exit(0);
}
else
{
sleep(5);
data_ptr = (struct shared_data*) shmat(shmid, 0, 0);
printf("data.a = %d, data.b = %d\n", data_ptr->a, data_ptr->b);

if(!shmdt(data_ptr))
printf("Separate the shared memory from the process.\n");

//printf("data.a = %d, data.b = %d\n", data_ptr->a, data_ptr->b);
//上面这句会导致运行错误，因为此时共享内存已经不能被分离出此进程。
if(!shmctl(shmid, IPC_RMID, 0))
printf("Delete the shared memory.\n");

}
return 0;
}

结果如下：

data.a = 10, data.b = 5
Separate the shared memory from the process.
Delete the shared memory.