共享内存

2024-07-03 22:21| 来源: 网络整理| 查看: 265

共享内存不同于内存映射区，它不属于任何进程，并且不受进程生命周期的影响。通过调用Linux提供的系统函数就可得到这块共享内存。使用之前需要让进程和共享内存进行关联，得到共享内存的起始地址之后就可以直接进行读写操作了，进程也可以和这块共享内存解除关联, 解除关联之后就不能操作这块共享内存了。在所有进程间通信的方式中共享内存的效率是最高的。

共享内存操作默认不阻塞，如果多个进程同时读写共享内存，可能出现数据混乱，共享内存需要借助其他机制来保证进程间的数据同步，比如：信号量，共享内存内部没有提供这种机制。

1. 创建/打开共享内存1.1 shmget

在使用共享内存之前必须要先做一些准备工作，如果共享内存不存在就需要先创建出来，如果已经存在了就需要先打开这块共享内存。不管是创建还是打开共享内存使用的函数是同一个，函数原型如下:

123#include #include int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg); 参数: key: 类型 key_t 是个整形数, 通过这个key可以创建或者打开一块共享内存，该参数的值一定要大于0 size: 创建共享内存的时候, 指定共享内存的大小，如果是打开一块存在的共享内存, size是没有意义的 shmflg：创建共享内存的时候指定的属性 IPC_CREAT: 创建新的共享内存，如果创建共享内存, 需要指定对共享内存的操作权限，比如：IPC_CREAT | 0664 IPC_EXCL: 检测共享内存是否已经存在了，必须和 IPC_CREAT一起使用返回值：共享内存创建或者打开成功返回标识共享内存的唯一的ID，失败返回-1

函数使用举例:

场景1：创建一块大小为4k的共享内存

1shmget(100, 4096, IPC_CREAT|0664);

场景2：创建一块大小为4k的共享内存, 并且检测是否存在

12// 如果共享内存已经存在, 共享内存创建失败, 返回-1, 可以perror() 打印错误信息shmget(100, 4096, IPC_CREAT|0664|IPC_EXCL);

场景3：打开一块已经存在的共享内存

123// 函数参数虽然指定了大小和IPC_CREAT, 但是都不起作用, 因为共享内存已经存在, 只能打开, 参数4096也没有意义shmget(100, 4096, IPC_CREAT|0664);shmget(100, 0, 0);

场景4：打开一块共享内存, 如果不存在就创建

1shmget(100, 4096, IPC_CREAT|0664); 1.2 ftok

shmget() 函数的第一个参数是一个大于0的正整数，如果不想自己指定可以通过 ftok()函数直接生成这个key值。该函数的函数原型如下：

123456// ftok函数原型#include #include // 将两个参数作为种子, 生成一个 key_t 类型的数值key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

参数:

pathname: 当前操作系统中一个存在的路径

proj_id: 这个参数只用到了int中的一个字节, 传参的时候要将其作为 char 进行操作，取值范围: 1-255

返回值：函数调用成功返回一个可用于创建、打开共享内存的key值，调用失败返回-1

使用举例：

1234// 根据路径生成一个key_tkey_t key = ftok("/home/robin", 'a');// 创建或打开共享内存shmget(key, 4096, IPC_CREATE|0664); 2. 关联和解除关联2.1 shmat

创建/打开共享内存之后还必须和共享内存进行关联，这样才能得到共享内存的起始地址，通过得到的内存地址进行数据的读写操作，关联函数的原型如下：

1void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg); 参数: shmid: 要操作的共享内存的ID, 是 shmget() 函数的返回值 shmaddr: 共享内存的起始地址, 用户不知道, 需要让内核指定, 写NULL shmflg: 和共享内存关联的对共享内存的操作权限 SHM_RDONLY: 读权限, 只能读共享内存中的数据 0: 读写权限，可以读写共享内存数据返回值：关联成功，返回值共享内存的起始地址，关联失败返回 (void *) -1 2.2 shmdt

当进程不需要再操作共享内存，可以让进程和共享内存解除关联，另外如果没有执行该操作，进程退出之后，结束的进程和共享内存的关联也就自动解除了。

1int shmdt(const void *shmaddr);

参数：shmat() 函数的返回值, 共享内存的起始地址

返回值：关联解除成功返回0，失败返回-1

3. 删除共享内存3.1 shmctl

shmctl() 函数是一个多功能函数，可以设置、获取共享内存的状态也可以将共享内存标记为删除状态。当共享内存被标记为删除状态之后，并不会马上被删除，直到所有的进程全部和共享内存解除关联，共享内存才会被删除。因为通过shmctl()函数只是能够标记删除共享内存，所以在程序中多次调用该操作是没有关系的。

12345678910111213141516// 共享内存控制函数int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);// 参数 struct shmid_ds 结构体原型 struct shmid_ds { struct ipc_perm shm_perm; /* Ownership and permissions */ size_t shm_segsz; /* Size of segment (bytes) */ time_t shm_atime; /* Last attach time */ time_t shm_dtime; /* Last detach time */ time_t shm_ctime; /* Last change time */ pid_t shm_cpid; /* PID of creator */ pid_t shm_lpid; /* PID of last shmat(2)/shmdt(2) */ // 引用计数, 多少个进程和共享内存进行了关联 shmatt_t shm_nattch; /* 记录了有多少个进程和当前共享内存进行了管联 */ ...}; 参数: shmid: 要操作的共享内存的ID, 是 shmget() 函数的返回值 cmd: 要做的操作 IPC_STAT: 得到当前共享内存的状态 IPC_SET: 设置共享内存的状态 IPC_RMID: 标记共享内存要被删除了 buf: cmd==IPC_STAT, 作为传出参数, 会得到共享内存的相关属性信息 cmd==IPC_SET, 作为传入参, 将用户的自定义属性设置到共享内存中 cmd==IPC_RMID, buf就没意义了, 这时候buf指定为NULL即可返回值：函数调用成功返回值大于等于0，调用失败返回-1 3.2 相关shell命令

使用ipcs 添加参数-m可以查看系统中共享内存的详细信息

1234567$ ipcs -m------------ 共享内存段 --------------键 shmid 拥有者权限字节 nattch 状态 0x00000000 425984 oracle 600 524288 2 目标 0x00000000 327681 oracle 600 524288 2 目标 0x00000000 458754 oracle 600 524288 2 目标

使用 ipcrm 命令可以标记删除某块共享内存

12345# key == shmget的第一个参数$ ipcrm -M shmkey # id == shmget的返回值$ ipcrm -m shmid 3.3 共享内存状态12345678910111213// 参数 struct shmid_ds 结构体原型 struct shmid_ds { struct ipc_perm shm_perm; /* Ownership and permissions */ size_t shm_segsz; /* Size of segment (bytes) */ time_t shm_atime; /* Last attach time */ time_t shm_dtime; /* Last detach time */ time_t shm_ctime; /* Last change time */ pid_t shm_cpid; /* PID of creator */ pid_t shm_lpid; /* PID of last shmat(2)/shmdt(2) */ // 引用计数, 多少个进程和共享内存进行了关联 shmatt_t shm_nattch; /* 记录了有多少个进程和当前共享内存进行了管联 */ ...};

通过shmctl()我们可以得知，共享内存的信息是存储到一个叫做struct shmid_ds的结构体中，其中有一个非常重要的成员叫做shm_nattch，在这个成员变量里边记录着当前共享内存关联的进程的个数，一般将其称之为引用计数。当共享内存被标记为删除状态，并且这个引用计数变为0之后共享内存才会被真正的被删除掉。

当共享内存被标记为删除状态之后，共享内存的状态也会发生变化，共享内存内部维护的key从一个正整数变为0，其属性从公共的变为私有的。这里的私有是指只有已经关联成功的进程才允许继续访问共享内存，不再允许新的进程和这块共享内存进行关联了。下图演示了共享内存的状态变化：

4. 进程间通信

使用共享内存实现进程间通信的操作流程如下：

12345678910111213141516171. 调用linux的系统API创建一块共享内存 - 这块内存不属于任何进程, 默认进程不能对其进行操作 2. 准备好进程A, 和进程B, 这两个进程需要和创建的共享内存进行关联 - 关联操作: 调用linux的 api - 关联成功之后, 得到了这块共享内存的起始地址 3. 在进程A或者进程B中对共享内存进行读写操作 - 读内存: printf() 等; - 写内存: memcpy() 等;4. 通信完成, 可以让进程A和B和共享内存解除关联 - 解除成功, 进程A和B不能再操作共享内存了 - 共享内存不受进程生命周期的影响的 5. 共享内存不在使用之后, 将其删除 - 调用linux的api函数, 删除之后这块内存被内核回收了

写共享内存的进程代码:

1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738#include #include #include int main(){ // 1. 创建共享内存, 大小为4k int shmid = shmget(1000, 4096, IPC_CREAT|0664); if(shmid == -1) { perror("shmget error"); return -1; } // 2. 当前进程和共享内存关联 void* ptr = shmat(shmid, NULL, 0); if(ptr == (void *) -1) { perror("shmat error"); return -1; } // 3. 写共享内存 const char* p = "hello, world, 共享内存真香..."; memcpy(ptr, p, strlen(p)+1); // 阻塞程序 printf("按任意键继续, 删除共享内存\n"); getchar(); shmdt(ptr); // 删除共享内存 shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); printf("共享内存已经被删除...\n"); return 0;}

读共享内存的进程代码:

12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637#include #include #include int main(){ // 1. 创建共享内存, 大小为4k int shmid = shmget(1000, 0, 0); if(shmid == -1) { perror("shmget error"); return -1; } // 2. 当前进程和共享内存关联 void* ptr = shmat(shmid, NULL, 0); if(ptr == (void *) -1) { perror("shmat error"); return -1; } // 3. 读共享内存 printf("共享内存数据: %s\n", (char*)ptr); // 阻塞程序 printf("按任意键继续, 删除共享内存\n"); getchar(); shmdt(ptr); // 删除共享内存 shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); printf("共享内存已经被删除...\n"); return 0;} 5. shm和mmap的区别

共享内存和内存映射区都可以实现进程间通信，下面来分析一下二者的区别：

实现进程间通信的方式

shm: 多个进程只需要一块共享内存就够了，共享内存不属于进程，需要和进程关联才能使用内存映射区: 位于每个进程的虚拟地址空间中, 并且需要关联同一个磁盘文件才能实现进程间数据通信

效率:

shm: 直接对内存操作，效率高内存映射区: 需要内存和文件之间的数据同步，效率低

生命周期

内存映射区：进程退出, 内存映射区也就没有了 shm：进程退出对共享内存没有影响，调用相关函数/命令/ 关机才能删除共享内存

数据的完整性 -> 突发状态下数据能不能被保存下来（比如: 突然断电）

内存映射区：可以完整的保存数据, 内存映射区数据会同步到磁盘文件 shm：数据存储在物理内存中, 断电之后系统关闭, 内存数据也就丢失了

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