IPC主题三：共享内存

1、共享内存

      共享内存（shared memory）从字面意义解释就是多个进程可以把一段内存映射到自己的进程空间，以此来

实现数据的共享以及传输，这也是所有进程间通信方式中最快的一种。共享内存是Unix下的多进程之间的通信方

法，这种方法通常用于一个程序的多进程间通信，实际上多个程序间也可以通过共享内存来传递信息。共享内存

指在多处理器的计算机系统中，可以被不同中央处理器（CPU）访问的大容量内存。由于多个CPU需要快速访问

存储器，这样就要对存储器进行缓存（Cache）。共享内存是存在于内核级别的一种资源，在shell中可以使用

ipcs命令来查看当前系统IPC中的状态，在文件系统中/proc目录下有对其描述的相应文件。共享内存相比其他几

种方式有着更方便的数据控制能力，数据在读写过程中会更透明。在系统内核为一个进程分配内存地址时，通过

分页机制可以让一个进程的物理地址不连续，同时也可以让一段内存同时分配给不同的进程。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。

2、相关函数

（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，与信号量的semget函数一样，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。

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。内核是以页为单位分配内存，当size参数的值不是系统

内存页长的整数倍时，系统会分配给进程最小的可以满足size长的页数，但是最后一页的剩余部分内存是不可用

的。

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。它的原型为：void *shmat(int shm_id,const void *shm_adder,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。shmat函数成功执行会将shm_id段

的shmid_ds结构的shm_nattch计数器的值加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。它的原型为：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，它的原型为：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IPC_STA、IPC_SETT、IPC_RMID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，对参数buf指向的结构赋值即用共享内存

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结构中给出的值使用buf指向

的结构对sh_mid段的相关结构赋值，只对以下几个域有作用，shm_perm。

uid shm_perm.gid以及shm_perm.mode，注意此命令只有具备以下条件的进程才可以请求：

1）进程的用户ID等于shm_perm.cuid或者等于shm_perm.uid

2）超级用户特权进程

IPC_RMID：删除shm_id所指向的共享内存段，只有当shmid_ds结构的shm_nattch域为零时，才会真正执行删除

命令，否则不会删除该段，注意此命令的请求规则与IPC_SET命令相同。

SHM_LOCK：锁定共享内存段在内存，此命令只能由超级用户请求

SHM_UNLOCK：对共享内存段解锁，此命令只能由超级用户请求

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;  

};  

3、使用共享内存实现进程间通信：

shm.h

shm.c

4、ipc 命令：

ipcs -m 查看共享内存

ipcrm -m shmid  删除共享内存

5、使用共享内存的优缺点

1）优点：我们可以看到使用共享内存进行进程间的通信真的是非常方便，而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信的

进程有一定的父子关系。共享内存相比其他几种方式有着更方便的数据控制能力，数据在读写过程中会更透明。

当成功导入一块共享内存后，它只是相当于一个字符串指针来指向一块内存，在当前进程下用户可以随意的访问。

2）缺点：共享内存没有提供同步的机制数据写入进程或数据读出进程中，需要附加的数据结构控制。，这使得我

们在使用共享内存进行进程间通信时，往往要借助其他的手段来进行进程间的同步工作。

6、所有进程间通信的特点：

进程间通信（IPC，InterProcess Communication）是指在不同进程之间传播或交换信息。IPC的方式通常有管

道（包括匿名管道和命名管道）、消息队列、信号量、共享存储、Socket、Streams等。其中 Socket和Streams

支持不同主机上的两个进程IPC。

（1）管道的特点

通常指匿名管道，是 UNIX 系统IPC最古老的形式。

1）它是半双工的（即数据只能在一个方向上流动），具有固定的读端和写端。

2）它只能用于具有亲缘关系的进程之间的通信（也是父子进程或者兄弟进程之间）。

3）它可以看成是一种特殊的文件，对于它的读写也可以使用普通的read、write 等函数。但是它不是普通的文件，并不属于其他任何文件系统，并且只存在于内存中。

4）管道的生命周期随进程。

（2）FIFO的特点

也称为命名管道，它是一种文件类型。

1）FIFO可以在无关的进程之间交换数据，与匿名管道不同。

2）FIFO有路径名与之相关联，它以一种特殊设备文件形式存在于文件系统中

（3）消息队列的特点

消息队列，是消息的链接表，存放在内核中。一个消息队列由一个标识符（即队列ID）来标识。

1）消息队列是面向记录的，其中的消息具有特定的格式以及特定的优先级。

2）消息队列独立于发送与接收进程。进程终止时，消息队列及其内容并不会被删除。

3）消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取。

4）消息队列的生命周期随内核。

（4）信号量的特点

信号量，与已经介绍过的 IPC 结构不同，它是一个计数器。信号量用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于存储进程间通信数据。

1）信号量用于进程间同步，若要在进程间传递数据需要结合共享内存。

2）信号量基于操作系统的 PV 操作，程序对信号量的操作都是原子操作。

3）每次对信号量的 PV 操作不仅限于对信号量值加 1 或减 1，而且可以加减任意正整数。

4）支持信号量组。

（5）共享内存的特点

共享内存，指两个或多个进程共享一个给定的存储区。

1）共享内存就是允许两个不相关的进程访问同一个逻辑内存；

2）共享内存以传送数据为目的，共享内存是在两个正在运行的进程之间共享和传递

数据的一种最有效的方式；是最快的一种 IPC，因为进程是直接对内存进行存取。

3）因为多个进程可以同时操作，所以需要进行同步。

4）共享内存的生命周期随内核，信号量+共享内存通常结合在一起使用，信号量用来同步对共享内存的访问。

5）不同进程之间共享的内存通常安排为同一段物理内存； 

 6）接口简单

（6）system v的ipc

      很多类unix系统，包括linux和system v系统，支持system v的进程间通信（ipc）对象。实际上，system v的ipc

是open group的单一unix规格版本2[open group 1997]所要求的。 system v的ipc对象可以是以下三种：system v

的消息队列、信号量集和共享内存段。每个这样的对象都有以下属性： 

每个创建者、创建者群组和其他人的读和写许可。
创建者uid和gid -- 对象创建者的uid和gid。
所有者uid和gid -- 对象所有者的uid和gid（初始时等于创建者的uid）。

在存取这样的对象时，规则如下： 

如果进程有root权限，同意被存取。
如果进程的euid是对象所有者或创建者的uid，那么检查相应的创建者许可比特位，看看是否允许存取。
如果进程的egid对象所有者或创建者的gid，或者进程所属群组中某个群组的gid就是对象所有者或创建者的gid，那么在存取时检查相应的创建者群组许可比特位。否则，在存取时检查相应的“其他人”许可比特位。

注意，root或具有所有者或创建者euid的进程可以设置所有者uid和所有者gid，并能删除对象