Linux进程间通讯之共享内存

共享内存:
使用共享内存和使用malloc()来分配内存区域很相似。使用共享内存的方法是：
1 对一个进程/线程使用shmget()分配内存区域。
2 使用shmat()放置一个或多个进程/线程在共享内存中，也可以用shmctl()来获取信息或者控制共享区域。
3 使用shmdt()从共享区域中分离。
4 使用shmctl()解除分配空间

共享内存是Linux中最快速的IPC方法。它也是一个双向过程，共享区域内的任何进程都可以读写内存。这个机制的不利方面是其同步和协议都不受程序员控制，必须确保将句柄传递给了子进程和线程。

一. 函数： shmget介绍

功能:取得共享内存段
语法:#include <sys/types.h>;
#include <sys/ipc.h>;
#include <sys/shm.h>;
int shmget(key,size,shmflg)
key_t key;
int size,shmflg;
说明:本系统调用返回key相关的共享内存标识符.
共享内存标识符和相关数据结构及至少size字节的共享内存段能
正常创建,要求以下事实成立:
. 参数key等于IPC_PRIVATE.
. 参数key没有相关的共享内存标识符,同时(shmflg&IPC_CREAT)
值为真.
共享内存创建时,新生成的共享内存标识相关的数据结构被初始
化如下:
. shm_perm.cuid和shm_perm.uid设置为调用进程的有效UID.
. shm_perm.cgid和shm_perm.gid设置为调用进程的有效GID.
. shm_perm.mode访问权限比特位设置为shmflg访问权限比特位.
. shm_lpid,shm_nattch,shm_atime,shm_dtime设置为0.
. shm_ctime设置为当前系统时间.
. shm_segsz设置为0.
返回值:若调用成功则返回一个非0值,称为共享内存标识符,否则返回
值为-1.

key_t key
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key标识共享内存的键值: 0/IPC_PRIVATE。 当key的取值为IPC_PRIVATE，则函数shmget()将创建一块新的共享内存；如果key的取值为0，而参数shmflg中设置了IPC_PRIVATE这个标志，则同样将创建一块新的共享内存。
在IPC的通信模式下，不管是使用消息队列还是共享内存，甚至是信号量，每个IPC的对象(object)都有唯一的名字，称为“键”(key)。通过“键”，进程能够识别所用的对象。“键”与IPC对象的关系就如同文件名称之于文件，通过文件名，进程能够读写文件内的数据，甚至多个进程能够共用一个文件。而在IPC的通讯模式下，通过“键”的使用也使得一个IPC对象能为多个进程所共用。
Linux系统中的所有表示System V中IPC对象的数据结构都包括一个ipc_perm结构，其中包含有IPC对象的键值，该键用于查找System V中IPC对象的引用标识符。如果不使用“键”，进程将无法存取IPC对象，因为IPC对象并不存在于进程本身使用的内存中。
通常，都希望自己的程序能和其他的程序预先约定一个唯一的键值，但实际上并不是总可能的成行的，因为自己的程序无法为一块共享内存选择一个键值。因此，在此把key设为IPC_PRIVATE，这样，操作系统将忽略键，建立一个新的共享内存，指定一个键值，然后返回这块共享内存IPC标识符ID。而将这个新的共享内存的标识符ID告诉其他进程可以在建立共享内存后通过派生子进程，或写入文件或管道来实现。

int size(单位字节Byte)
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size是要建立共享内存的长度。所有的内存分配操作都是以页为单位的。所以如果一段进程只申请一块只有一个字节的内存，内存也会分配整整一页(在i386机器中一页的缺省大小PACE_SIZE=4096字节)这样，新创建的共享内存的大小实际上是从size这个参数调整而来的页面大小。即如果size为1至4096，则实际申请到的共享内存大小为4K(一页)；4097到8192，则实际申请到的共享内存大小为8K(两页)，依此类推。

int shmflg
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shmflg主要和一些标志有关。其中有效的包括IPC_CREAT和IPC_EXCL，它们的功能与open()的O_CREAT和O_EXCL相当。
IPC_CREAT 如果共享内存不存在，则创建一个共享内存，否则打开操作。
IPC_EXCL 只有在共享内存不存在的时候，新的共享内存才建立，否则就产生错误。

如果单独使用IPC_CREAT，shmget()函数要么返回一个已经存在的共享内存的操作符，要么返回一个新建的共享内存的标识符。如果将IPC_CREAT和IPC_EXCL标志一起使用，shmget()将返回一个新建的共享内存的标识符；如果该共享内存已存在，或者返回-1。IPC_EXEL标志本身并没有太大的意义，但是和IPC_CREAT标志一起使用可以用来保证所得的对象是新建的，而不是打开已有的对象。对于用户的读取和写入许可指定SHM_R和SHM_W,(SHM_R>3)和(SHM_W>3)是一组读取和写入许可，而(SHM_R>6)和(SHM_W>6)是全局读取和写入许可。

返回值
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成功返回共享内存的标识符；不成功返回-1，errno储存错误原因。
EINVAL 参数size小于SHMMIN或大于SHMMAX。
EEXIST 预建立key所致的共享内存，但已经存在。
EIDRM 参数key所致的共享内存已经删除。
ENOSPC 超过了系统允许建立的共享内存的最大值(SHMALL )。
ENOENT 参数key所指的共享内存不存在，参数shmflg也未设IPC_CREAT位。
EACCES 没有权限。
ENOMEM 核心内存不足。

二. 相关数据结构：
struct shmid_ds
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shmid_ds数据结构表示每个新建的共享内存。当shmget()创建了一块新的共享内存后，返回一个可以用于引用该共享内存的shmid_ds数据结构的标识符。

include/linux/shm.h

struct shmid_ds {
struct ipc_perm shm_perm; /* operation perms */
int shm_segsz; /* size of segment (bytes) */
__kernel_time_t shm_atime; /* last attach time */
__kernel_time_t shm_dtime; /* last detach time */
__kernel_time_t shm_ctime; /* last change time */
__kernel_ipc_pid_t shm_cpid; /* pid of creator */
__kernel_ipc_pid_t shm_lpid; /* pid of last operator */
unsigned short shm_nattch; /* no. of current attaches */
unsigned short shm_unused; /* compatibility */
void *shm_unused2; /* ditto - used by DIPC */
void *shm_unused3; /* unused */
};

struct ipc_perm
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对于每个IPC对象，系统共用一个struct ipc_perm的数据结构来存放权限信息，以确定一个ipc操作是否可以访问该IPC对象。

struct ipc_perm {
__kernel_key_t key;
__kernel_uid_t uid;
__kernel_gid_t gid;
__kernel_uid_t cuid;
__kernel_gid_t cgid;
__kernel_mode_t mode;
unsigned short seq;
};

三. 例程
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#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#define PERM S_IRUSR|S_IWUSR

int main(int argc, char **argv)
{
key_t shmid;
char *p_addr, *c_addr;
pid_t pid;
if(argc != 2) {
fprintf(stderr, "Usage:%s/n/a", argv[0]);
exit(1);
}
if( (shmid = shmget(IPC_PRIVATE, 1024, PERM)) == -1 ) { //(1)
fprintf(stderr, "Create Share Memory Error:%s/n/a", strerror(errno));
exit(1);
}
pid = fork();
if(pid > 0) {
p_addr = shmat(shmid, 0, 0);
memset(p_addr, '/0', 1024);
strncpy(p_addr, argv[1], 1024);
wait(NULL);
exit(0);
}
else if (pid == 0){
sleep(1);
c_addr = shmat(shmid, 0, 0);
printf("Client get %s/n", c_addr);
exit(0);
}
}

(1)
IPC_PRIVATE 保证使用唯一ID
S_IRUSR | S_IWUSR 使当前用户可以读写这个区域

运行
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$ ./a.out hello
Client get hello
$ ./a.out hello