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共享内存

共享内存是两个或多个进程之间共享的内存。但是，为什么我们需要共享内存或其他通信方式呢？

重申一下，每个进程都有自己的地址空间，如果任何进程想要将一些信息从自己的地址空间传达给其他进程，那么只有使用 IPC（进程间通信）技术才有可能。我们已经知道，通信可以在相关或不相关的进程之间进行。

通常，相关进程间的通信是使用管道或命名管道进行的。不相关的进程（比如一个进程在一个终端上运行，另一个进程在另一个终端上运行）通信可以使用命名管道或通过共享内存和消息队列的流行 IPC 技术进行。

我们已经了解了管道和命名管道的 IPC 技术，现在是时候了解其余的 IPC 技术，即共享内存、消息队列、信号量、信号和内存映射。

在本章中，我们将了解有关共享内存的所有信息。

共享内存

我们知道要在两个或多个进程之间进行通信，我们使用共享内存，但在使用共享内存之前，需要对系统调用做些什么，让我们看看这个 −

  • 创建共享内存段或使用已创建的共享内存段（shmget()）

  • 将进程附加到已创建的共享内存段（shmat()）

  • 将进程从已附加的共享内存段中分离（shmdt()）

  • 对共享内存段的控制操作（shmctl()）

让我们看一下与共享内存相关的系统调用的一些细节。

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

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

上述系统调用创建或分配 System V 共享内存段。需要传递的参数如下 −

第一个参数 key 识别共享内存段。key 可以是任意值，也可以是从库函数 ftok() 派生的值。key 也可以是 IPC_PRIVATE，表示以服务器和客户端（父子关系）的身份运行进程，即相互关联的进程通信。如果客户端想要使用此 key 来使用共享内存，那么它必须是服务器的子进程。此外，子进程需要在父进程获得共享内存后创建。

第二个参数 size 是共享内存段的大小，四舍五入为 PAGE_SIZE 的倍数。

第三个参数 shmflg 指定所需的共享内存标志，例如 IPC_CREAT（创建新段）或 IPC_EXCL（与 IPC_CREAT 一起使用以创建新段，如果段已存在，则调用失败）。还需要传递权限。

注意 − 有关权限的详细信息，请参阅前面的部分。

此调用将在成功时返回有效的共享内存标识符（用于进一步调用共享内存），在失败时返回 -1。要了解失败的原因，请检查 errno 变量或 perror() 函数。

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

void * shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg)

上述系统调用对 System V 共享内存段执行共享内存操作，即将共享内存段附加到调用进程的地址空间。需要传递的参数如下 −

第一个参数 shmid 是共享内存段的标识符。此 id 是共享内存标识符，是 shmget() 系统调用的返回值。

第二个参数 shmaddr 用于指定附加地址。如果 shmaddr 为 NULL，则系统默认选择合适的地址来附加段。如果 shmaddr 不为 NULL 并且在 shmflg 中指定了 SHM_RND，则附加等于 SHMLBA（下边界地址）最接近的倍数的地址。否则，shmaddr 必须是页面对齐的地址，共享内存连接在此地址发生/开始。

第三个参数 shmflg 指定所需的共享内存标志，例如 SHM_RND（将地址四舍五入为 SHMLBA）或 SHM_EXEC（允许执行段的内容）或 SHM_RDONLY（将段附加为只读目的，默认情况下它是读写的）或 SHM_REMAP（替换 shmaddr 指定范围内的现有映射并继续到段末尾）。

此调用将在成功时返回附加共享内存段的地址，在失败时返回 -1。要了解失败的原因，请检查 errno 变量或 perror() 函数。

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

int shmdt(const void *shmaddr)

上述系统调用对 System V 共享内存段执行共享内存操作，即将共享内存段从调用进程的地址空间中分离出来。需要传递的参数是 −

参数 shmaddr 是要分离的共享内存段的地址。要分离的段必须是 shmat() 系统调用返回的地址。

此调用在成功时返回 0，在失败时返回 -1。要了解失败的原因，请检查 errno 变量或 perror() 函数。

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

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

上述系统调用对 System V 共享内存段执行控制操作。需要传递以下参数 −

第一个参数 shmid 是共享内存段的标识符。此 id 是共享内存标识符，是 shmget() 系统调用的返回值。

第二个参数 cmd 是执行共享内存段所需控制操作的命令。

cmd 的有效值为 −

  • IPC_STAT − 将 struct shmid_ds 的每个成员的当前值信息复制到 buf 指向的传递结构中。此命令需要对共享内存段的读取权限。

  • IPC_SET −设置结构 buf 指向的用户 ID、所有者的组 ID、权限等。

  • IPC_RMID − 标记要销毁的段。只有在最后一个进程将其分离后，才会销毁该段。

  • IPC_INFO − 返回 buf 指向的结构中有关共享内存限制和参数的信息。

  • SHM_INFO − 返回一个 shm_info 结构，其中包含有关共享内存所消耗的系统资源的信息。

第三个参数 buf 是指向名为 struct shmid_ds 的共享内存结构的指针。此结构的值将用于根据 cmd 进行设置或获取。

此调用根据传递的命令返回值。 IPC_INFO 和 SHM_INFO 或 SHM_STAT 成功后，返回共享内存段的索引或标识符，其他操作返回 0，失败时返回 -1。要了解失败的原因，请检查 errno 变量或 perror() 函数。

让我们考虑以下示例程序。

  • 创建两个进程，一个用于写入共享内存（shm_write.c），另一个用于从共享内存中读取（shm_read.c）

  • 程序通过写入进程（shm_write.c）执行向共享内存中的写入，并通过读取进程（shm_read.c）执行从共享内存中读取

  • 在共享内存中，写入进程创建大小为 1K 的共享内存（和标志）并附加共享内存

  • 写入进程将从"A"到"E"的字母表（每个 1023 个字节）写入 5 次到共享内存中。最后一个字节表示缓冲区的结束

  • 读取过程将从共享内存中读取并写入标准输出

  • 读取和写入过程操作同时执行

  • 写入完成后，写入过程更新以指示写入共享内存的完成（使用 struct shmseg 中的 complete 变量）

  • 读取过程执行从共享内存中的读取并显示在输出上，直到它得到写入过程完成的指示（struct shmseg 中的 complete 变量）

  • 执行几次读取和写入过程以简化程序，同时也为了避免无限循环和使程序复杂化

以下是写入过程的代码（写入共享内存 - 文件：shm_write.c）

/* Filename: shm_write.c */
#include<stdio.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>
#include<sys/types.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>

#define BUF_SIZE 1024
#define SHM_KEY 0x1234

struct shmseg {
   int cnt;
   int complete;
   char buf[BUF_SIZE];
};
int fill_buffer(char * bufptr, int size);

int main(int argc, char *argv[]) {
   int shmid, numtimes;
   struct shmseg *shmp;
   char *bufptr;
   int spaceavailable;
   shmid = shmget(SHM_KEY, sizeof(struct shmseg), 0644|IPC_CREAT);
   if (shmid == -1) {
      perror("Shared memory");
      return 1;
   }
   
   // Attach to the segment to get a pointer to it.
   shmp = shmat(shmid, NULL, 0);
   if (shmp == (void *) -1) {
      perror("Shared memory attach");
      return 1;
   }
   
   /* Transfer blocks of data from buffer to shared memory */
   bufptr = shmp->buf;
   spaceavailable = BUF_SIZE;
   for (numtimes = 0; numtimes < 5; numtimes++) {
      shmp->cnt = fill_buffer(bufptr, spaceavailable);
      shmp->complete = 0;
      printf("Writing Process: Shared Memory Write: Wrote %d bytes
", shmp->cnt);
      bufptr = shmp->buf;
      spaceavailable = BUF_SIZE;
      sleep(3);
   }
   printf("Writing Process: Wrote %d times
", numtimes);
   shmp->complete = 1;

   if (shmdt(shmp) == -1) {
      perror("shmdt");
      return 1;
   }

   if (shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1) {
      perror("shmctl");
      return 1;
   }
   printf("Writing Process: Complete
");
   return 0;
}

int fill_buffer(char * bufptr, int size) {
   static char ch = 'A';
   int filled_count;
   
   //printf("size is %d
", size);
   memset(bufptr, ch, size - 1);
   bufptr[size-1] = '\0';
   if (ch > 122)
   ch = 65;
   if ( (ch >= 65) && (ch <= 122) ) {
      if ( (ch >= 91) && (ch <= 96) ) {
         ch = 65;
      }
   }
   filled_count = strlen(bufptr);
   
   //printf("buffer count is: %d
", filled_count);
   //printf("buffer filled is:%s
", bufptr);
   ch++;
   return filled_count;
}

编译和执行步骤

Writing Process: Shared Memory Write: Wrote 1023 bytes
Writing Process: Shared Memory Write: Wrote 1023 bytes
Writing Process: Shared Memory Write: Wrote 1023 bytes
Writing Process: Shared Memory Write: Wrote 1023 bytes
Writing Process: Shared Memory Write: Wrote 1023 bytes
Writing Process: Wrote 5 times
Writing Process: Complete

以下是读取过程的代码（从共享内存读取并写入标准输出 - 文件：shm_read.c）

/* Filename: shm_read.c */
#include<stdio.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>
#include<sys/types.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<stdlib.h>

#define BUF_SIZE 1024
#define SHM_KEY 0x1234

struct shmseg {
   int cnt;
   int complete;
   char buf[BUF_SIZE];
};

int main(int argc, char *argv[]) {
   int shmid;
   struct shmseg *shmp;
   shmid = shmget(SHM_KEY, sizeof(struct shmseg), 0644|IPC_CREAT);
   if (shmid == -1) {
      perror("Shared memory");
      return 1;
   }
   
   // Attach to the segment to get a pointer to it.
   shmp = shmat(shmid, NULL, 0);
   if (shmp == (void *) -1) {
      perror("Shared memory attach");
      return 1;
   }
   
   /* Transfer blocks of data from shared memory to stdout*/
   while (shmp->complete != 1) {
      printf("segment contains : 
\"%s\"
", shmp->buf);
      if (shmp->cnt == -1) {
         perror("read");
         return 1;
      }
      printf("Reading Process: Shared Memory: Read %d bytes
", shmp->cnt);
      sleep(3);
   }
   printf("Reading Process: Reading Done, Detaching Shared Memory
");
   if (shmdt(shmp) == -1) {
      perror("shmdt");
      return 1;
   }
   printf("Reading Process: Complete
");
   return 0;
}

编译和执行步骤

segment contains :
"AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA"
Reading Process: Shared Memory: Read 1023 bytes
segment contains :
"BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB
BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB
BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB
BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB
BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB
BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB
BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB
BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB
BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB
BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB
BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB
BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB"
Reading Process: Shared Memory: Read 1023 bytes
segment contains :
"CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC"
Reading Process: Shared Memory: Read 1023 bytes
segment contains :
"DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD"
Reading Process: Shared Memory: Read 1023 bytes
segment contains :
"EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE
EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE
EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE
EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE
EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE
EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE
EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE
EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE
EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE
EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE
EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE
EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE"
Reading Process: Shared Memory: Read 1023 bytes
Reading Process: Reading Done, Detaching Shared Memory
Reading Process: Complete
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