共享内存

1.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。由于其他处理器可能也要存取，任一缓存数据更新后，共享内存就需要立即更新，否则不同处理器可能用到不同的数据

优点：内存共享是最为高效的IPC机制，因为它不涉及到进程之间的任何的数据传输；
缺点：需要其他辅助手段来同步进程对共享内存的访问，否则会产生竞争条件；因为共享内存本身没有提供同步机制，所以通常使用信号量来实现对共享内存访问的同步。

内存共享原理图：

2.linux中的共享内存的实现主要包括4个系统调用，分别是：

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

（2） void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
（3）int shmdt(const void *shmaddr)
（4） int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

3. 下面对4个api函数的功能和用法进行详细的描述与介绍：

(1) shmget
shmget系统调用的功能是创建一段新的共享内存，或者是获取一段已经存在的共享内存：

 #include <sys/ipc.h> #include <sys/shm.h>int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

参数key： 是一个键值，用来标识一段全局唯一的共享内存。多个进程通过它来访问同一个共享内存，其中有个特殊值IPC_PRIVATE，用于创建当前进程的私有共享内存

参数size ：用来指定共享内存的大小，单位是字节。若创建的是新的共享内存，则size值必须被指定；若是获取已经存在的共享内存，则可以将size参数设置为0.

参数shmflgshmflg：权限位标志，和open函数的权限位标志类似，通常使用八进制来表示，同时可以与IPC_CREAT做或操作；
返回值：shmget函数成功的时候，返回一个int正整数值，它是共享内存的标识符。失败时返回：-1并且设置errno；

如果shmget用于创建共享内存，则这段共享内存的所有字节都会被初始化为0，同时与之相关联的内核数据结构shmid_ds也将会被创建并且同时初始化，其中shmid_ds结构体的定义如下：

struct shmid_ds { struct ipc_perm shm_perm;    /*共享内存的操作权限*/ size_t          shm_segsz;   /*共享内存的大小、单位是字节*/ time_t          shm_atime;   /*对这段内存最后一次调用shmat的时间*/ time_t          shm_dtime;   /*对这段内存最后一次调用shmdt的时间*/ time_t          shm_ctime;   /*对这段内存最后一次调用shmctl的时间*/ pid_t           shm_cpid;    /*创建者的pid*/ pid_t           shm_lpid;    /*最后一次执行shmat或shmdt操作的进程的PID*/ shmatt_t        shm_nattch;  /*目前关联到此共享内存的进程的数量*/   ... /*省略一些填充字段*/ };其中 struct ipc_perm shm_perm; 又是一个内嵌的结构体：该结构体的类型如下：struct ipc_perm { key_t      __key;  /* Key supplied to shmget(2) */ uid_t      uid;    /* Effective UID of owner */ gid_t      gid;    /* Effective GID of owner */ uid_t      cuid;   /* Effective UID of creator */ gid_t      cgid;   /* Effective GID of creator */ unsigned short mode;/* Permissions + SHM_DEST and SHM_LOCKED flags */ unsigned short __seq; /* Sequence number */           };

（2）shmat
共享内存在被创建/获取之后，并不能够立即的去访问和使用，而是需要先将这个创建好的共享内存关联到进程的地址空间中去；

#include <sys/types.h>#include <sys/shm.h>void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

参数shmid：是由shmget函数调用之后返回的共享内存标识符；

参数shm_addr：指定将共享内存关联到进程的哪块地址空间，但是最终的效果还会收到shmflg参数的SHM_RND的影响；
(1) 若shm_addr为NULL，则被关联的地址由操作系统（内核）选择。这也是推荐使用的做法，以确保代码的可移植性。该参数选项类似于mmap函数（内存映射文件方法）；mmap函数原型如下：

 void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset);   其中第一个参数往往只需要我们填写NULL，就ok了，它也代表由操作系统来选择映射的空间地址，

有关mmap的详细用法请参考：

(2) 若shm_addr非空，并且SHM_RND标志未被设置，则共享内存被关联到addr指定的地址处。

参数 shmflg：除了SHM_RND标志外，shmflg参数还支持如下的标志：
· SHM_RDONLY：表示进程仅能够读取共享内存中的内容。（类似于open中的flag权限设置）；若没有指定该标志，表示进程能够对共享内存进行读写的操作（需要在创建共享内存的时候指定其读写的权限）；
· SHM_REMAP：若地址shmaddr已经被关联到了一段共享内存上，则重新关联；
· SHM_EXEC： 它指定对共享内存段的执行权限，对共享内存而言，所谓的执行权限实际上和读权限是一样的；

shmat函数成功的时候，返回共享内存被关联到的地址；失败则返回:(void *)-1并且设置errno。shmat成功时，将会修改内核数据结构shmid_ds的部分字段，如下：
· 将shm_nattach加1
· 将shm_lpid设置为调用进程的PID
· 将shm_atime设置为当前的时间

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总而言之：void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg); 函数中shmaddr通常指定为NULL，shmflg通常值得为0

（3） shmdt
共享内存使用完之后，我们也需要将它从进程地址空间中分离出来；将共享内存分离并不是删除它，只是使该共享内存对当前的进程不再可用。shmdt函数如下：

 #include <sys/types.h> #include <sys/shm.h>int shmdt(const void *shmaddr);

参数shmaddr： 为shmat函数的返回值，即共享内存被关联到的地址；
shmdt函数成功时：返回0，失败返回-1；shmdt函数在被成功的调用的时候也同样会去修改内核的数据结构shmid_ds的部分字段，如下：
· 将shm_nattach减1
· 将shm_lpid设置为调用进程的PID
· 将shm_dtime设置为当前的时间

（4）shmctl
shmctl系统调用用来控制共享内存的某些属性。

 #include <sys/ipc.h> #include <sys/shm.h> int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

参数shmid：为shmget函数调用后返回的共享内存标识符。
参数command：指定要执行的命令。常用到的有3个，分别是：

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IPC_STAT 将共享内存相关联的内核数据结构复制到buf（第3个参数中去

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IPC_SET 将buf中的部分成员复制到共享内存相关的内核数据结构中，同时内核数据中的shmid_ds.shm_ctime被更新

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IPC_RMID 将共享内存打上删除的标记（Mark),这样当最后一个使用它的进程调用shmdt将它从进程中分离时，该共享内存就被删除了；

参数buf：共享内存管理结构体 buf； 是一个结构体指针。IPC_STAT的时候，取得的状态放在这个结构体中。如果要改变共享内存的状态，用这个结构体指定;

struct shmid_ds结构体：struct shmid_ds { struct ipc_perm shm_perm;    /*共享内存的操作权限*/ size_t          shm_segsz;   /*共享内存的大小、单位是字节*/ time_t          shm_atime;   /*对这段内存最后一次调用shmat的时间*/ time_t          shm_dtime;   /*对这段内存最后一次调用shmdt的时间*/ time_t          shm_ctime;   /*对这段内存最后一次调用shmctl的时间*/ pid_t           shm_cpid;    /*创建者的pid*/ pid_t           shm_lpid;    /*最后一次执行shmat或shmdt操作的进程的PID*/ shmatt_t        shm_nattch;  /*目前关联到此共享内存的进程的数量*/   ... /*省略一些填充字段*/ };

IPC_RMID 命令实际上不从内核删除一个段，而是仅仅把这个段标记为删除，实际的删除发生在最后一个进程离开这个共享段时。

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注意，有小伙伴可能会对shmdt和shmctl的功能产生混淆，要知道这两个函数实现的功能和作用是不一样的：区别如下：

• shmdt(addr)使进程中的shmaddr指针无效化，不可以使用，但是保留空间。

• shmctl(shmid，IPC_RMID，0) 删除共享内存，彻底不可用，释放空间。

二. 代码1

/************************************************************************* * File Name: shmget.c * Author:    The answer * Function:  Other         * Mail:      [e-mail]  * Created Time: 2017年07月28日 星期五 16时32分00秒 ************************************************************************/#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<sys/shm.h>#include<sys/ipc.h>#include<string.h>#include<assert.h>int main(int argc,char **argv){    int shmid = shmget(0x00,1024,0777|IPC_CREAT);    char *shmaddr = NULL;    char *str = "i am lixiaogang.";    int len = strlen(str);    assert(shmid != -1);    assert((shmaddr = shmat(shmid,NULL,0)) != (void* )-1);    strncpy(shmaddr,str,len);#if 0    puts(str);    puts(shmaddr);#endif    printf("str = %s\n",str);    printf("shmaddr = %s\n",shmaddr);    getchar();    assert( shmdt(shmaddr) != -1 );    assert( shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL) != -1);    return 0;}------ 程序结果：------str = i am lixiaogang.shmaddr = i am lixiaogang.

该程序会在内核中创建1024字节大小的共享内存，然后可以将字符串复制到该内存空间地址上去，通过ipcs命令（ipcs 命令用简短格式写入一些关于当前活动消息队列、共享内存段、信号量、远程队列和本地队列标题）查看当前的共享内存信息； 程序中的getchar的功能是：等待用户的回车操作来结束对共享内存的删除操作，在用户还没有按下回车时候，这时候的共享内存空间还存在，如下：

---

这个程序只是简单演示这4个api函数的使用，还没有涉及到两个进程共享这个内存空间；

代码二.

利用共享内存来实现父子进程间的通信：

/************************************************************************* * File Name: SharedMemory.c * Author:    The answer * Function:  Other         * Mail:      [e-mail]  * Created Time: 2017年07月29日 星期六 09时33分29秒 ************************************************************************/#include<stdio.h>#include<stdlib.h>#include<string.h>#include<errno.h>#include<sys/ipc.h>#include<sys/shm.h>#include<assert.h>#define MAXSIZE 4096int main(int argc,char **argv){    int shmid;    char *shmaddr = NULL;    struct shmid_ds buf;  /* 用来描述和记录这个共享内存区的访问权限信息 */    pid_t pid;    shmid = shmget(IPC_PRIVATE,MAXSIZE,0777|IPC_CREAT|IPC_EXCL);    if(shmid == -1)    {        fprintf(stderr,"shmget error.%d\n",errno);        shmid = shmget(IPC_PRIVATE,MAXSIZE,0777|IPC_CREAT);    }    pid = fork();    if(pid == 0)    {        shmaddr = shmat(shmid,NULL,0);        if(shmaddr == (void *)-1)        {            perror("shmat failure.");            exit(1);        }        /* 共享内存空间中数据为I am child process. */        strcpy(shmaddr,"I am child process.");        printf("child pid is %d and parent is %d\n",getpid(),getppid());        printf("child string is : %s\n",shmaddr);        assert(shmdt(shmaddr) != -1);        return 0;    }    else if(pid > 0)    {           sleep(2);        /* IPC_STAT 获取共享内存的状态，把共享内存的shmid_ds结构体复制到buf中 */        if(shmctl(shmid,IPC_STAT,&buf) == -1)        {            fprintf(stderr,"shmctl failure.");            return 0;        }        printf("I am parent process. pid is %d\n",getpid());        printf("共享内存的大小(字节): %zu\n",buf.shm_segsz);        printf("创建者pid: %d\n",buf.shm_cpid);        printf("最后一次执行shmat/shmdt操作的进程pid: %d\n",buf.shm_lpid);        printf("关联到该共享内存的进程的数量: %d\n",buf.shm_nattch);        /* 把共享内存区对象映射到父进程的地址空间中 */        shmaddr = shmat(shmid,NULL,0);        if(shmaddr == (void *)-1)        {            printf("shmat failure.");            return 0;        }        printf("parent string is : %s\n",shmaddr);        if(shmdt(shmaddr) == -1)        {            printf("shmdt error.");            return 0;        }        assert(shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL) != -1);        return 0;    }    else    {        fprintf(stderr,"fork error.%d\n",errno);        assert(shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL) != -1);    }    return 0;}