進程間通信之-共享內存Shared Memory--linux內核剖析（十一）

共享內存

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共享內存是進程間通信中最簡單的方式之中的一個。

共享內存是系統出於多個進程之間通訊的考慮，而預留的的一塊內存區。

共享內存同意兩個或很多其他進程訪問同一塊內存，就如同 malloc() 函數向不同進程返回了指向同一個物理內存區域的指針。

當一個進程改變了這塊地址中的內容的時候，其他進程都會察覺到這個更改。

關於共享內存

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當一個程序載入進內存后，它就被分成叫作頁的塊。

通信將存在內存的兩個頁之間或者兩個獨立的進程之間。

總之，當一個程序想和另外一個程序通信的時候。那內存將會為這兩個程序生成一塊公共的內存區域。這塊被兩個進程分享的內存區域叫做共享內存

由於全部進程共享同一塊內存，共享內存在各種進程間通信方式中具有最高的效率。

訪問共享內存區域和訪問進程獨有的內存區域一樣快，並不須要通過系統調用或者其他須要切入內核的過程來完畢。同一時候它也避免了對數據的各種不必要的復制。

假設沒有共享內存的概念。那一個進程不能存取另外一個進程的內存部分。因而導致共享數據或者通信失效。由於系統內核沒有對訪問共享內存進行同步，您必須提供自己的同步措施。

解決這些問題的經常用法是通過使用信號量進行同步。

只是，我們的程序中僅僅有一個進程訪問了共享內存。因此在集中展示了共享內存機制的同一時候。我們避免了讓代碼被同步邏輯搞得混亂不堪。

為了簡化共享數據的完整性和避免同一時候存取數據，內核提供了一種專門存取共享內存資源的機制。這稱為相互排斥體或者mutex對象

比如。在數據被寫入之前不同意進程從共享內存中讀取信息、不同意兩個進程同一時候向同一個共享內存地址寫入數據等。

當一個進程想和另外一個進程通信的時候，它將按下面順序運行：

• 獲取mutex對象，鎖定共享區域。

• 將要通信的數據寫入共享區域。

• 釋放mutex對象。

當一個進程從從這個區域讀數據時候，它將反復相同的步驟，僅僅是將第二步變成讀取。

內存模型

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要使用一塊共享內存

• 進程必須首先分配它

• 隨后須要訪問這個共享內存塊的每一個進程都必須將這個共享內存綁定到自己的地址空間中

• 當完畢通信之后，全部進程都將脫離共享內存，而且由一個進程釋放該共享內存塊

在/proc/sys/kernel/文件夾下，記錄着共享內存的一些限制，如一個共享內存區的最大字節數shmmax。系統范圍內最大共享內存區標識符數shmmni等，能夠手工對其調整，但不推薦這樣做。

理解 Linux 系統內存模型能夠有助於解釋這個綁定的過程。

linux系統內存模型

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在 Linux 系統中。每一個進程的虛擬內存是被分為很多頁面的。這些內存頁面中包括了實際的數據。

每一個進程都會維護一個從內存地址到虛擬內存頁面之間的映射關系。雖然每一個進程都有自己的內存地址，不同的進程能夠同一時候將同一個內存頁面映射到自己的地址空間中。從而達到共享內存的目的。

分配一個新的共享內存塊會創建新的內存頁面。由於全部進程都希望共享對同一塊內存的訪問。僅僅應由一個進程創建一塊新的共享內存。再次分配一塊已經存在的內存塊不會創建新的頁面，而僅僅是會返回一個標識該內存塊的標識符。

一個進程如需使用這個共享內存塊，則首先須要將它綁定到自己的地址空間中。

這樣會創建一個從進程本身虛擬地址到共享頁面的映射關系。當對共享內存的使用結束之后，這個映射關系將被刪除。

當再也沒有進程須要使用這個共享內存塊的時候，必須有一個（且僅僅能是一個）進程負責釋放這個被共享的內存頁面。

全部共享內存塊的大小都必須是系統頁面大小的整數倍。系統頁面大小指的是系統中單個內存頁面包括的字節數。在 Linux 系統中，內存頁面大小是4KB。只是您仍然應該通過調用 getpagesize 獲取這個值。

共享內存的實現分為兩個步驟：

• 創建共享內存，使用shmget函數。

• 映射共享內存。將這段創建的共享內存映射到詳細的進程空間去，使用shmat函數。

用於共享內存的函數

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共享內存的使用。主要有下面幾個API：ftok()、shmget()、shmat()、shmdt()及shmctl()。

#include <sys/shm.h>
void *shmat(int shm_id, const void *shm_addr, int shmflg);
int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);
int shmdt(const void *shm_addr);
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

與信號量相相似，通常須要在包括shm.h文件之前包括sys/types.h與sys/ipc.h這兩個頭文件。

用ftok()函數獲得一個ID號

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應用說明，在IPC中，我們經經常使用用key_t的值來創建或者打開信號量，共享內存和消息隊列。

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

參數	描寫敘述
pathname	一定要在系統中存在而且進程能夠訪問的
proj_id	一個1－255之間的一個整數值，典型的值是一個ASCII值。

當成功運行的時候，一個key_t值將會被返回。否則－1被返回。我們能夠使用strerror(errno)來確定詳細的錯誤信息。

考慮到應用系統可能在不同的主機上應用，能夠直接定義一個key，而不用ftok獲得：

#define IPCKEY 0x344378

創建共享內存

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進程通過調用shmget（Shared Memory GET，獲取共享內存）來分配一個共享內存塊。

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

參數	描寫敘述
key	一個用來標識共享內存塊的鍵值
size	指定了所申請的內存塊的大小
shmflg	操作共享內存的標識

返回值：假設成功，返回共享內存表示符，假設失敗，返回-1。

• 該函數的第二個參數key是一個用來標識共享內存塊的鍵值。

彼此無關的進程能夠通過指定同一個鍵以獲取對同一個共享內存塊的訪問。

不幸的是，其他程序也可能挑選了相同的特定值作為自己分配共享內存的鍵值。從而產生沖突。

用特殊常量IPC_PRIVATE作為鍵值能夠保證系統建立一個全新的共享內存塊。|

key標識共享內存的鍵值：0/IPC_PRIVATE。當key的取值為IPC_PRIVATE,則函數shmget將創建一塊新的共享內存；假設key的取值為0。而參數中又設置了IPC_PRIVATE這個標志，則相同會創建一塊新的共享內存。

• 該函數的第二個參數size指定了所申請的內存塊的大小。

由於這些內存塊是以頁面為單位進行分配的。實際分配的內存塊大小將被擴大到頁面大小的整數倍。

• 第三個參數shmflg是一組標志。通過特定常量的按位或操作來shmget。這些特定常量包括：

IPC_CREAT：這個標志表示應創建一個新的共享內存塊。通過指定這個標志，我們能夠創建一個具有指定鍵值的新共享內存塊。

IPC_EXCL：這個標志僅僅能與 IPC_CREAT 同一時候使用。當指定這個標志的時候。假設已有一個具有這個鍵值的共享內存塊存在。則shmget會調用失敗。

也就是說，這個標志將使線程獲得一個“獨有”的共享內存塊。假設沒有指定這個標志而系統中存在一個具有相同鍵值的共享內存塊。shmget會返回這個已經建立的共享內存塊。而不是又一次創建一個。

模式標志：這個值由9個位組成，分別表示屬主、屬組和其他用戶對該內存塊的訪問權限。

當中表示運行權限的位將被忽略。

指明訪問權限的一個簡單辦法是利用

映射共享內存

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shmat()是用來同意本進程訪問一塊共享內存的函數。將這個內存區映射到本進程的虛擬地址空間。

int shmat(int shmid,char *shmaddr，int flag)

參數	描寫敘述
shmid	那塊共享內存的ID。是shmget函數返回的共享存儲標識符
shmaddr	是共享內存的起始地址，假設shmaddr為0，內核會把共享內存映像到調用進程的地址空間中選定位置。假設shmaddr不為0，內核會把共享內存映像到shmaddr指定的位置。所以一般把shmaddr設為0。
shmflag	是本進程對該內存的操作模式。假設是SHM_RDONLY的話，就是僅僅讀模式。 其他的是讀寫模式

成功時，這個函數返回共享內存的起始地址。失敗時返回-1。

要讓一個進程獲取對一塊共享內存的訪問。這個進程必須先調用 shmat（SHared Memory Attach，綁定到共享內存）。

將 shmget 返回的共享內存標識符 SHMID 傳遞給這個函數作為第一個參數。

該函數的第二個參數是一個指針。指向您希望用於映射該共享內存塊的進程內存地址；假設您指定NULL則Linux會自己主動選擇一個合適的地址用於映射。

第三個參數是一個標志位，包括了下面選項：

SHM_RND表示第二個參數指定的地址應被向下靠攏到內存頁面大小的整數倍。假設您不指定這個標志，您將不得不在調用shmat的時候手工將共享內存塊的大小按頁面大小對齊。
SHM_RDONLY表示這個內存塊將僅同意讀取操作而禁止寫入。 假設這個函數調用成功則會返回綁定的共享內存塊相應的地址。通過 fork 函數創建的子進程同一時候繼承這些共享內存塊；

假設須要，它們能夠主動脫離這些共享內存塊。 當一個進程不再使用一個共享內存塊的時候

共享內存解除映射

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當一個進程不再須要共享內存時，須要把它從進程地址空間中多里。

int shmdt(char *shmaddr)

參數	描寫敘述
shmaddr	那塊共享內存的起始地址

成功時返回0。失敗時返回-1。

應通過調用 shmdt（Shared Memory Detach。脫離共享內存塊）函數與該共享內存塊脫離。

將由 shmat 函數返回的地址傳遞給這個函數。假設當釋放這個內存塊的進程是最后一個使用該內存塊的進程，則這個內存塊將被刪除。

對 exit 或不論什么exec族函數的調用都會自己主動使進程脫離共享內存塊。

控制釋放

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shmctl控制對這塊共享內存的使用

函數原型

int  shmctl( int shmid , int cmd , struct shmid_ds *buf );

參數	描寫敘述
shmid	是共享內存的ID。
cmd	控制命令
buf	一個結構體指針。 IPC_STAT的時候，取得的狀態放在這個結構體中。假設要改變共享內存的狀態，用這個結構體指定。

當中cmd的取值例如以下

cmd	描寫敘述
IPC_STAT	得到共享內存的狀態
IPC_SET	改變共享內存的狀態
IPC_RMID	刪除共享內存

返回值： 成功：0 失敗：-1

調用 shmctl（”Shared Memory Control”，控制共享內存）函數會返回一個共享內存塊的相關信息。同一時候 shmctl 同意程序改動這些信息。

該函數的第一個參數是一個共享內存塊標識。
要獲取一個共享內存塊的相關信息，則為該函數傳遞 IPC_STAT 作為第二個參數，同一時候傳遞一個指向一個 struct shmid_ds 對象的指針作為第三個參數。

要刪除一個共享內存塊，則應將 IPC_RMID 作為第二個參數。而將 NULL 作為第三個參數。

當最后一個綁定該共享內存塊的進程與其脫離時，該共享內存塊將被刪除。

您應當在結束使用每一個共享內存塊的時候都使用 shmctl 進行釋放，以防止超過系統所同意的共享內存塊的總數限制。

調用 exit 和 exec 會使進程脫離共享內存塊，但不會刪除這個內存塊。

要查看其他有關共享內存塊的操作的描寫敘述，請參考shmctl函數的手冊頁。

演示樣例

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簡單映射一塊共享內存

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

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


#define IPCKEY 0x366378



typedef struct st_setting
{
    char agen[10];
    unsigned char file_no;
}st_setting;

int main(int argc, char** argv)
{
    int         shm_id;
    //key_t key;
    st_setting  *p_setting;

    // 首先檢查共享內存是否存在，存在則先刪除
    shm_id = shmget(IPCKEY , 1028, 0640);
    if(shm_id != -1)
    {
        p_setting = (st_setting *)shmat(shm_id, NULL, 0);

        if (p_setting != (void *)-1)
        {
            shmdt(p_setting);

            shmctl(shm_id,IPC_RMID,0) ;
        }
    }

    // 創建共享內存
    shm_id = shmget(IPCKEY, 1028, 0640 | IPC_CREAT | IPC_EXCL);
    if(shm_id == -1)
    {
        printf("shmget error\n");
        return -1;
    }

    // 將這塊共享內存區附加到自己的內存段
    p_setting = (st_setting *)shmat(shm_id, NULL, 0);

    strncpy(p_setting->agen, "gatieme", 10);
    printf("agen : %s\n", p_setting->agen);

    p_setting->file_no = 1;
    printf("file_no : %d\n",p_setting->file_no);

    system("ipcs -m");// 此時可看到有進程關聯到共享內存的信息，nattch為1

    // 將這塊共享內存區從自己的內存段刪除出去
    if(shmdt(p_setting) == -1)
       perror(" detach error ");

    system("ipcs -m");// 此時可看到有進程關聯到共享內存的信息。nattch為0

    // 刪除共享內存
    if (shmctl( shm_id , IPC_RMID , NULL ) == -1)
    {
        perror(" delete error ");
    }

    system("ipcs -m");// 此時可看到有進程關聯到共享內存的信息，nattch為0


    return EXIT_SUCCESS;
}

ipcrm命令刪除共享內存

在使用共享內存。結束程序退出后。假設你沒在程序中用shmctl()刪除共享內存的話。一定要在命令行下用ipcrm命令刪除這塊共享內存。

你要是無論的話，它就一直在那兒放着了。

簡單解釋一下ipcs命令和ipcrm命令。

取得ipc信息：

usage : ipcs -asmq -tclup 
    ipcs [-s -m -q] -i id ipcs -h for help. m 輸出有關共享內存(shared memory)的信息 -q 輸出有關信息隊列(message queue)的信息 -s 輸出有關“遮斷器”(semaphore)的信息

刪除ipc

usage: ipcrm [ [-q msqid] [-m shmid] [-s semid]
          [-Q msgkey] [-M shmkey] [-S semkey] ... ]

兩端通信的程序

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讀者程序

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

#define N 64

typedef struct
{
    pid_t pid;
    char buf[N];
} SHM;

void handler(int signo)
{
    //printf("get signal\n");
    return;
}

int main()
{
    key_t key;
    int shmid;
    SHM *p;
    pid_t pid;

    if ((key = ftok(".", 'm')) < 0)
    {
        perror("fail to ftok");
        exit(-1);
    }

    signal(SIGUSR1, handler);//注冊一個信號處理函數
    if ((shmid = shmget(key, sizeof(SHM), 0666|IPC_CREAT|IPC_EXCL)) < 0)
    {
        if (EEXIST == errno)//存在則直接打開
        {
            shmid = shmget(key, sizeof(SHM), 0666);
            p = (SHM *)shmat(shmid, NULL, 0);
            pid = p->pid;
            p->pid = getpid();//把自己的pid寫到共享內存
            kill(pid, SIGUSR1);
        }
        else//出錯
        {
            perror("fail to shmget");
            exit(-1);
        }
    }
    else//成功
    {
        p = (SHM *)shmat(shmid, NULL, 0);
        p->pid = getpid();
        pause();
        pid = p->pid;//得到寫端進程的pid
    }

    while ( 1 )
    {
        pause();//堵塞，等待信號
        if (strcmp(p->buf, "quit\n") == 0) exit(0);//輸入"quit結束"
        printf("read from shm : %s", p->buf);
        kill(pid, SIGUSR1);//向寫進程發SIGUSR1信號
    }

    return 0;


}

寫者程序

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

#define N 64

typedef struct
{
    pid_t pid;
    char buf[N];
} SHM;

void handler(int signo)
{
    //printf("get signal\n");
    return;
}

int main()
{
    key_t key;
    int shmid;
    SHM *p;
    pid_t pid;

    if ((key = ftok(".", 'm')) < 0)
    {
        perror("fail to ftok");
        exit(-1);
    }

    signal(SIGUSR1, handler);               // 注冊一個信號處理函數
    if ((shmid = shmget(key, sizeof(SHM), 0666 | IPC_CREAT | IPC_EXCL)) < 0)
    {
        if (EEXIST == errno)                // 存在則直接打開
        {
            shmid = shmget(key, sizeof(SHM), 0666);

            p = (SHM *)shmat(shmid, NULL, 0);

            pid = p->pid;
            p->pid = getpid();
            kill(pid, SIGUSR1);
        }
        else//出錯
        {
            perror("fail to shmget");
            exit(-1);
        }
    }
    else//成功
    {

        p = (SHM *)shmat(shmid, NULL, 0);
        p->pid = getpid();                  // 把自己的pid寫到共享內存
        pause();
        pid = p->pid;                       // 得到讀端進程的pid

    }

    while ( 1 )
    {
        printf("write to shm : ");
        fgets(p->buf, N, stdin);            // 接收輸入
        kill(pid, SIGUSR1);                 // 向讀進程發SIGUSR1信號
        if (strcmp(p->buf, "quit\n") == 0) break;
        pause();                            // 堵塞，等待信號
    }
    shmdt(p);
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);          // 刪除共享內存

    return 0;
}