Linux多进程20-共享内存

共享内存

• 共享内存允许两个或多个进程共享物理内存的同一块区域(通常称为段)
• 一个共享内存段会成为一个进程用户空间的一部分, 因此这种IPC机制无需内核介入, 所有需要做的就是让一个进程将数据复制进共享内存中, 并且这部分数据会对其他所有共享同一个段的进程可用
• 管道是要求发送进程将数据从用户空间的缓冲区复制进内核内存, 接收进程将数据从内核内存复制进用户空间的缓冲区, 由于来回的复制, 所以共享内存这种IPC技术速度更快

共享内存使用步骤

• 调用 shmget() 创建一个新共享内存段或取得一个既有共享内存段的标识符（即由其
• 使用 shmat() 来附上共享内存段，即使该段成为调用进程的虚拟内存的一部分。
• 此刻在程序中可以像对待其他可用内存那样对待这个共享内存段。为引用这块共享内存，
  程序需要使用由 shmat() 调用返回的 addr 值，它是一个指向进程的虚拟地址空间
  中该共享内存段的起点的指针。
• 调用 shmdt() 来分离共享内存段。在这个调用之后，进程就无法再引用这块共享内存
  了。这一步是可选的，并且在进程终止时会自动完成这一步。
• 调用 shmctl() 来删除共享内存段。只有当当前所有附加内存段的进程都与之分离之
  后内存段才会销毁。只有一个进程需要执行这一步。

获取 -> 绑定 -> 解绑 -> 删除

操作函数

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
	- 功能: 创建一个新的共享内存段, 或者获取一个既有的共享内存段的标识
        新创建的内存段的数据都会被初始化为0
    - 参数:
		- key: key_t 整形, 通过这个可以找到或者创建一个共享内存, 一般使用16进制表示, 非0值
        - size: 共享内存大小
        - shmflg: 共享内存属性
        	- 访问权限
            - 附加属性: 创建/判断共享内存是否存在
                - 创建: IPC_CREAT
                - 判断共享内存是否存在: IPC_EXCL, 需要和IPC_CREAT一起用
                    如: IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0664
    - 返回值: 
		失败 -1并设置错误号; 
		成功 >0的值,共享内存引用的ID, 后面通过这个值操作共享内存
----------------------------------------------------               
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
	- 功能: 与当前进程进行关联
    - 参数: 
		- shmid: 共享内存的标识(ID), 由shmget返回值获取
        - shmaddr: 申请的共享内存的起始地址, 指定为NULL, 由内核指定
        - shmflg: 对共享内存的操作
        	- 读: SHM_RDONLY, 必须要有读权限
            - 读写: 0
    - 返回值: 成功-共享内存的首地址; 失败(void*)-1
---------------------------------------------------
int shmdt(const void *shmaddr);
	- 功能: 解除当前进程和共享内存的关联
    - 参数: 
		shmaddr: 共享内存的首地址
    - 返回值: 成功0, 失败-1
----------------------------------------------------
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
	- 功能: 对共享内存操作, 主要用来删除共享内存, 共享内存要删除才会消失, 创建共享内存的进程被销毁对共享内存没有影响
    - 参数: 
		- shmid: 共享内存的ID
        - cmd: 操作
            - IPC_STAT: 获取共享内存的当前状态
            - IPC_SET: 设置共享内存的状态
            - IPC_RMID: 标记共享内存被销毁
        - buf: 需要设置或者获取的共享内存的属性信息
           	- IPC_STAT: buf存储数据
            - IPC_SET: buf中需要初始化数据, 设置到内核中
            - IPC_RMID: 没有用,NULL

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) */
    shmatt_t        shm_nattch;  /* No. of current attaches */
    ...
};
---------------------------------------------------
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
	- 功能: 根据指定的路径名和int值, 生成共享内存的key
   	- 参数: 
		- pathname: 指定一个存在的路径
            /home/.../...x/a.txt
        - proj_id: int类型值, 但系统调用只会使用其中的1个字节
            范围: 0-255 一般指定一个字符'a'
    	注意: 每次传入的参数一样, 生成的key也是一样

实例: 通过共享内存进行进程间通信

write_shm.c

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

int main(int argc, char const *argv[])
{
    //创建共享内存
    int shmid = shmget(100, 4096, IPC_CREAT | 0664);
    printf("shmid: %d\n", shmid);

    //和当前进程进行关联
    void *ptr = shmat(shmid, NULL, 0);
    char *str = "helloworld";

    //写数据
    memcpy(ptr, str, strlen(str) + 1);
    printf("按任意键继续\n");
    getchar();

    //解除关联
    shmdt(ptr);

    //删除共享内存
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);

    return 0;
}

read_shm.c

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

int main(int argc, char const *argv[])
{
    //获取共享内存
    int shmid = shmget(100, 0, IPC_CREAT);
    printf("shmid: %d\n", shmid);

    //和当前进程进行关联
    void *ptr = shmat(shmid, NULL, 0);
    char *str = "helloworld";

    //读数据
    printf("%s\n", (char *)ptr);
    printf("按任意键继续\n");
    getchar();

    //解除关联
    shmdt(ptr);

    //删除共享内存
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);

    return 0;
}

运行

$./writeShm 
shmid: 5
按任意键继续
$./readShm 
shmid: 5
helloworld
按任意键继续

总结

操作系统如何知道一块共享内存被多少个进程关联?

• 共享内存维护了一个结构体struct shmid_ds 这个结构体中有一个成员 shm_nattach, 记录了关联的进程个数

常用的共享内存操作命令

◼ ipcs 用法
     ipcs -a  // 打印当前系统中所有的进程间通信方式的信息
     ipcs -m // 打印出使用共享内存进行进程间通信的信息
     ipcs -q  // 打印出使用消息队列进行进程间通信的信息
     ipcs -s  // 打印出使用信号进行进程间通信的信息
◼ ipcrm 用法
     ipcrm -M shmkey // 移除用shmkey创建的共享内存段
     ipcrm -m shmid // 移除用shmid标识的共享内存段
     ipcrm -Q msgkey // 移除用msqkey创建的消息队列
     ipcrm -q msqid // 移除用msqid标识的消息队列
     ipcrm -S semkey // 移除用semkey创建的信号
     ipcrm -s semid // 移除用semid标识的信号

能否对共享内存进行多次删除 shmctl

• 可以, shmctl只是标记删除共享内存, 不是直接删除
• 当和共享内存进程关联数为0, 就真正删除
• 当共享内存的key为0时, 被标记删除, 如果一个进程和共享内存取消关联, 该进程不能继续操作这个共享内存, 也不能再次关联

共享内存和内存映射的区别

• 共享内存可以直接创建, 内存映射需要磁盘文件(匿名映射除外)

• 共享内存效率更高

• 内存

  • 所有进程操作的是同一块共享内存
  • 内存映射, 每个进程在自己的虚拟地址空间中有一个独立的内存

• 数据安全

  • 进程突然退出, 共享内存还存在, 内存映射区消失
  • 运行进程的电脑死机, 数据存在共享内存中消失, 内存映射区的数据还存在是因为磁盘文件中的数据存在

• 生命周期

  • 内存映射区: 进程退出, 内存映射区销毁

  • 共享内存: 进程退出, 共享内存还在, 标记删除(所有的关联进程数为0), 或者关机, 如果一个进程退出, 会自动和共享内存取消关联