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Linux:IPC之共享内存

分类: 文章 • 2024-01-29 14:42:28

什么是共享内存？

  • 共享内存即指在Linux下，两个或多个进程所共享的一块在内存映射段(共享区) 上开辟好的物理内存空间，将这块物理内存空间映射到这些进程的虚拟地址空间中(通过页表)进行访问，当一个进程写入数据时，其他进程就可以读取这些数据，这就实现了进程间的通信，并且因为是直接读取共享内存中的数据，较其他方式省去了用户态与内核态的数据拷贝过程，所以这种方式的速度是最快的

  • 在Linux中，我们可以通过 “ipcs -m” 指令来查看当前系统下的共享内存状态
    Linux:IPC之共享内存

  • Linux内核为每个共享内存维护着一个结构shmid_ds,里面存储着各种相关信息；这个结构体定义在<sys/shm.h>中

使用共享内存

  • 使用共享内存需要进行以下五个步骤：
操作步骤 操作指令
创建共享内存 shmget
将共享内存映射连接至虚拟地址空间 shmat
进程对共享空间进行操作 - -
解除映射关系 shmdt
删除内存 shmctl
  • 注意，在进程没有主动释放共享内存时就退出的话，共享内存会一直存在，但由于其key的唯一标识性，下次进程启动后还会调用这块共享内存，所以在key值不变的情况下不必担心资源泄露

shmget：创建共享内存

  • 原型：int shemget(key_t key ,size_t size,int shemflg);
  • key：共享内存标识符,用来区别和制定共享内存
    1. 自己用difine定义无符号十六进制数字
    2. key_t key = ftok（".",PROJ_ID）;
  • size：共享内存大小
  • shemflg:权限
    1. IPC_CREAT： 不存在创建；可与IPC_CREATE一起使用表示存在报错，不存在再创建
    2. mode_flags(二进制位指定权限)
  • 返回值：成功:标识符–操作句柄；失败：-1

shmat：将共享内存映射连接到虚拟地址空间

  • 原型：void* shmat(int shmid,const void* shmaddr,int shmflg);
  • shmid:创建共享内存返回的操作句柄；
  • shmaddr:映射首地址
    1. 如果为NULL，则连接到由内核选择的第一个可用地址上；推荐使用
    2. 如果不为NULL且未指定SHM_RND,则连接到shmaddr制定的地址上；
    3. 如果不为NULL且指定了SHM_RND,则连接到(shmaddr-(shmaddr mod SHMLBA))所表示的地址上。
  • shmflg：若被指定为SHM_RDONLY则以只读方式连接；否则输入0以读写方式连接；
  • 返回值：成功：映射首地址 ；失败：(void*) -1;

shmdt：解除映射关系

  • 原型：shmdt(const void *shmaddr)
  • shmaddr:之前得到的映射首地址

shmctl: 内存控制

  • 这一步我们主要实现的主要功能是:全部映射解除后再删除，在这期间拒绝后续其他进程的新的映射连接
  • 原型：int shmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds *buf);
  • shmid：操作句柄
  • cmd：操作命令
    1. IPC_RMID 删除共享内存
    2. IPC_STAT 取到此内存区的shmid_ds结构，使其在shmid的指定区域上运行。
    3. IPC_SET 按照buf指向的结构中的值来设置该共享内存区的shmid_ds中的：shm_perm.uid/shm_perm.gid/shm_perm.mod
    4. SHM_LOCK 对共享内存存储区加锁实现互斥（Linux/Solaris独有且使用者为root进程）
    5. SHM_UNLOCK 解锁共享内存存储区（Linux/Solaris独有且使用者为root进程）
  • buf：获取/设置共享内存信息，不用存储的话写NULL;

实例

  • 假设我们现在需要让一个进程接收来自另一个进程的一串文本，按照上面的五步即可完成：
    MemWrite.c
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<error.h>
#include<sys/shm.h>

#define my_key 0x199805

int MemShare(const char* data){
  int handle = shmget(my_key,1024,IPC_CREAT|0664);
  if(handle<0){
    perror("shmget error");
    return -1;
  }
  void* addr = shmat(handle,NULL,0);
  if(addr==(void*)-1){
    perror("shmat error");
    return -1;
  }
  int i = 1;
  int j = 10;
  while(j--){
    sprintf((char*)addr,"ShareMem test txt+%d\n",i++);
    sleep(1);
  }
  shmdt(addr);
  shmctl(handle,IPC_RMID,NULL);
  return 0;
}

int main(int argc,char* argv[]){
  char data[] = {0};
  //scanf("%s",data);
  MemShare(data);
  return 0;
}

MemRead.c

#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<error.h>
#include<sys/shm.h>
#include<string.h>

#define my_key 0x199805

int MemShareRead(){
  int handle = shmget(my_key,1024,IPC_CREAT|0664);
  if(handle<0){
    perror("shmget error");
    return -1;
  }
  char* addr = (char*)shmat(handle,NULL,SHM_RDONLY);
  if(addr==(void*)-1){
    perror("shmat error");
    return -1;
  }
  char*start = "";
  char history[1024] = "";
  while(1){
    if((!strcmp(addr,history))&&strcmp(start,history))//add与上一次输入一直相等，且不为初始值时就说明写段已经关闭了，此时退出；
      break;    
    printf("%s",addr);
    strcpy(history,addr);
    sleep(1);
  }
  shmdt(addr);
  shmctl(handle,IPC_RMID,NULL);
  return 0;
}

int main(int argc,char* argv[]){
  MemShareRead();
  return 0;
}

当两个进程运行起来，我们看到Read端读到了来自Write端的文本
Linux:IPC之共享内存

特点

  • 优点：因为不像其他通信方式需要进行数据拷贝，所以效率极高；
  • 缺点：由于每个进程都具有读写权限，使得共享内存中进程间同步就显得尤为重要，但它本身并不提供同步功能，这就需要使用信号量等手段实现同步；

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