Linux进程间通讯（六）：共享内存 shmget()、shmat()、shmdt()、shmctl()

下面将讲解进程间通讯的另外一种方式，使用共享内存。

1、什么是共享内存

顾名思义，共享内存就是容许两个不相关的进程访问同一个逻辑内存。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很是有效的方式。不一样进程之间共享的内存一般安排为同一段物理内存。进程能够将同一段共享内存链接到它们本身的地址空间中，全部进程均可以访问共享内存中的地址，就好像它们是由用C语言函数malloc()分配的内存同样。而若是某个进程向共享内存写入数据，所作的改动将当即影响到能够访问同一段共享内存的任何其余进程。

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做以前，并没有自动机制能够阻止第二个进程开始对它进行读取。因此咱们一般须要用其余的机制来同步对共享内存的访问，例如前面说到的信号量。有关信号量的更多内容，能够查阅另外一篇文章：Linux进程间通讯 -- 使用信号量

2、共享内存的使得

与信号量同样，在Linux中也提供了一组函数接口用于使用共享内存，并且使用共享共存的接口还与信号量的很是类似，并且比使用信号量的接口来得简单。它们声明在头文件 sys/shm.h 中。

一、shmget()函数

该函数用来建立共享内存，它的原型为：

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

第一个参数，与信号量的semget函数同样，程序须要提供一个参数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.

不相关的进程能够经过该函数的返回值访问同一共享内存，它表明程序可能要使用的某个资源，程序对全部共享内存的访问都是间接的，程序先经过调用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，全部其余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以字节为单位指定须要共享的内存容量

第三个参数，shmflg是权限标志，它的做用与open函数的mode参数同样，若是要想在key标识的共享内存不存在时，建立它的话，能够与IPC_CREAT作或操做。共享内存的权限标志与文件的读写权限同样，举例来讲，0644,它表示容许一个进程建立的共享内存被内存建立者所拥有的进程向共享内存读取和写入数据，同时其余用户建立的进程只能读取共享内存。

二、shmat()函数    -- at：attach

第一次建立完共享内存时，它还不能被任何进程访问，shmat()函数的做用就是用来启动对该共享内存的访问，并把共享内存链接到当前进程的地址空间。它的原型以下：

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指定共享内存链接到当前进程中的地址位置，一般为空，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，一般为0。

调用成功时返回一个指向共享内存第一个字节的指针，若是调用失败返回-1.

三、shmdt()函数    -- dt：detach

该函数用于将共享内存从当前进程中分离。注意，将共享内存分离并非删除它，只是使该共享内存对当前进程再也不可用。它的原型以下：

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.

四、shmctl()函数    -- ctl：control

与信号量的semctl()函数同样，用来控制共享内存，它的原型以下：

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是要采起的操做，它能够取下面的三个值 ：

• 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：若是进程有足够的权限，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 至少包括如下成员：

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

3、使用共享内存进行进程间通讯

说了这么多，又到了实战的时候了。下面就以两个不相关的进程来讲明进程间如何经过共享内存来进行通讯。其中一个文件shmread.c建立共享内存，并读取其中的信息，另外一个文件shmwrite.c向共享内存中写入数据。为了方便操做和数据结构的统一，为这两个文件定义了相同的数据结构，定义在文件shmdata.c中。结构shared_use_st中的written做为一个可读或可写的标志，非0：表示可读，0：表示可写，text则是内存中的文件。

shmdata.h的源代码以下：

#ifndef _SHMDATA_H_HEADER
#define _SHMDATA_H_HEADER

#define TEXT_SZ 2048

struct shared_use_st
{
	int written; // 做为一个标志，非0：表示可读，0：表示可写
	char text[TEXT_SZ]; // 记录写入 和 读取 的文本
};

#endif

源文件shmread.c的源代码以下：

#include <stddef.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include "shmdata.h"

int main(int argc, char **argv)
{
	void *shm = NULL;
	struct shared_use_st *shared; // 指向shm
	int shmid; // 共享内存标识符

	// 建立共享内存
	shmid = shmget((key_t)1234, sizeof(struct shared_use_st), 0666|IPC_CREAT);
	if (shmid == -1)
	{
		fprintf(stderr, "shmat failed\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	// 将共享内存链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 %X\n", (int)shm);

	// 设置共享内存
	shared = (struct shared_use_st*)shm; // 注意：shm有点相似经过 malloc() 获取到的内存，因此这里须要作个 类型强制转换
	shared->written = 0;
	while (1) // 读取共享内存中的数据
	{
		// 没有进程向内存写数据，有数据可读取
		if (shared->written == 1)
		{
			printf("You wrote: %s", shared->text);
			sleep(1);

			// 读取完数据，设置written使共享内存段可写
			shared->written = 0;

			// 输入了 end，退出循环（程序）
			if (strncmp(shared->text, "end", 3) == 0)
			{
				break;
			}
		}
		else // 有其余进程在写数据，不能读取数据
		{
			sleep(1);
		}
	}

	// 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);
}

源文件shmwrite.c的源代码以下：

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

int main(int argc, char **argv)
{
	void *shm = NULL;
	struct shared_use_st *shared = NULL;
	char buffer[BUFSIZ + 1]; // 用于保存输入的文本
	int shmid;

	// 建立共享内存
	shmid = shmget((key_t)1234, sizeof(struct shared_use_st), 0666|IPC_CREAT);
	if (shmid == -1)
	{
		fprintf(stderr, "shmget failed\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	// 将共享内存链接到当前的进程地址空间
	shm = shmat(shmid, (void *)0, 0);
	if (shm == (void *)-1)
	{
		fprintf(stderr, "shmat failed\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	printf("Memory attched at %X\n", (int)shm);

	// 设置共享内存
	shared = (struct shared_use_st *)shm;
	while (1) // 向共享内存中写数据
	{
		// 数据尚未被读取，则等待数据被读取，不能向共享内存中写入文本
		while (shared->written == 1)
		{
			sleep(1);
			printf("Waiting...\n");
		}

		// 向共享内存中写入数据
		printf("Enter some text: ");
		fgets(buffer, BUFSIZ, stdin);
		strncpy(shared->text, buffer, TEXT_SZ);

		// 写完数据，设置written使共享内存段可读
		shared->written = 1;

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

	// 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);
}

再来看看运行的结果：

分析：

一、程序shmread建立共享内存，而后将它链接到本身的地址空间。在共享内存的开始处使用了一个结构struct_use_st。该结构中有个标志written，当共享内存中有其余进程向它写入数据时，共享内存中的written被设置为0，程序等待。当它不为0时，表示没有进程对共享内存写入数据，程序就从共享内存中读取数据并输出，而后重置设置共享内存中的written为0，即让其可被shmwrite进程写入数据。

二、程序shmwrite取得共享内存并链接到本身的地址空间中。检查共享内存中的written，是否为0，若不是，表示共享内存中的数据尚未被完，则等待其余进程读取完成，并提示用户等待。若共享内存的written为0，表示没有其余进程对共享内存进行读取，则提示用户输入文本，并再次设置共享内存中的written为1，表示写完成，其余进程可对共享内存进行读操做。

4、关于前面的例子的安全性讨论

这个程序是不安全的，当有多个程序同时向共享内存中读写数据时，问题就会出现。可能你会认为，能够改变一下written的使用方式，例如，只有当written为0时进程才能够向共享内存写入数据，而当一个进程只有在written不为0时才能对其进行读取，同时把written进行加1操做，读取完后进行减1操做。这就有点像文件锁中的读写锁的功能。咋看之下，它彷佛能行得通。可是这都不是原子操做，因此这种作法是行不能的。试想当written为0时，若是有两个进程同时访问共享内存，它们就会发现written为0，因而两个进程都对其进行写操做，显然不行。当written为1时，有两个进程同时对共享内存进行读操做时也是如些，当这两个进程都读取完是，written就变成了-1.

要想让程序安全地执行，就要有一种进程同步的进制，保证在进入临界区的操做是原子操做。例如，可使用前面所讲的信号量来进行进程的同步。由于信号量的操做都是原子性的。

5、使用共享内存的优缺点

一、优势：咱们能够看到使用共享内存进行进程间的通讯真的是很是方便，并且函数的接口也简单，数据的共享还使进程间的数据不用传送，而是直接访问内存，也加快了程序的效率。同时，它也不像匿名管道那样要求通讯的进程有必定的父子关系。

二、缺点：共享内存没有提供同步的机制，这使得咱们在使用共享内存进行进程间通讯时，每每要借助其余的手段来进行进程间的同步工做。

 

 

参考：

http://blog.csdn.net/ljianhui/article/details/10253345

《Linux高性能服务器编程》

《UNIX网络编程_卷2_进程间通讯》