Linux环境进程间通信（五）: 共享内存

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简介：系统V共享内存指的是把所有共享数据放在共享内存区域（IPC shared memory region），任何想要访问该数据的进程都必须在本进程的地址空间新增一块内存区域，用来映射存放共享数据的物理内存页面。

系统V则是通过映射特殊文件系统shm中的文件实现进程间的共享内存通信。也就是说，每个共享内存区域对应特殊文件系统shm中的一个文件（这是通过shmid_kernel结构联系起来的），后面还将阐述。

因为数据不需要在客户进程和服务器进程之间复制，所以这是最快的一种IPC。

使用共享存储时要掌握的唯一窍门就是多个进程之间对一给定存储区的同步访问。若服务器进程正在将数据放入共享存储区，则在它做完这个操作之前，客户进程不应当去取这些数据。

1.系统V共享内存原理

进程间需要共享的数据被放在一个叫做IPC共享内存区域的地方，所有需要访问该共享区域的进程都要把该共享区域映射到本进程的地址空间中去。系统V共享内存通过shmget获得或创建一个IPC共享内存区域，并返回相应的标识符。内核在保证shmget获得或创建一个共享内存区，初始化该共享内存区相应的shmid_kernel结构注同时，还将在特殊文件系统shm中，创建并打开一个同名文件，并在内存中建立起该文件的相应dentry及inode结构，新打开的文件不属于任何一个进程（任何进程都可以访问该共享内存区）。所有这一切都是系统调用shmget完成的。

注：每一个共享内存区都有一个控制结构struct shmid_kernel，shmid_kernel是共享内存区域中非常重要的一个数据结构，它是存储管理和文件系统结合起来的桥梁，定义如下：

struct shmid_kernel /* private to the kernel */

{

struct kern_ipc_perm shm_perm;

struct file * shm_file;

int id;

unsigned long shm_nattch;

unsigned long shm_segsz;

time_t shm_atim;

time_t shm_dtim;

time_t shm_ctim;

pid_t shm_cprid;

pid_t shm_lprid;

};

该结构中最重要的一个域应该是shm_file，它存储了将被映射文件的地址。每个共享内存区对象都对应特殊文件系统shm中的一个文件，一般情况下，特殊文件系统shm中的文件是不能用read()、write()等方法访问的，当采取共享内存的方式把其中的文件映射到进程地址空间后，可直接采用访问内存的方式对其访问。

2.系统V共享内存API

对于系统V共享内存，主要有以下几个API：shmget()、shmat()、shmdt()及shmctl()。

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/shm.h>

shmget（）用来获得共享内存区域的ID，如果不存在指定的共享区域就创建相应的区域。shmat()把共享内存区域映射到调用进程的地址空间中去，这样，进程就可以方便地对共享区域进行访问操作。shmdt()调用用来解除进程对共享内存区域的映射。shmctl实现对共享内存区域的控制操作。这里我们不对这些系统调用作具体的介绍，读者可参考相应的手册页面，后面的范例中将给出它们的调用方法。

注：shmget的内部实现包含了许多重要的系统V共享内存机制；shmat在把共享内存区域映射到进程空间时，并不真正改变进程的页表。当进程第一次访问内存映射区域访问时，会因为没有物理页表的分配而导致一个缺页异常，然后内核再根据相应的存储管理机制为共享内存映射区域分配相应的页表。

3、系统V共享内存限制

在/proc/sys/kernel/目录下，记录着系统V共享内存的一下限制，如一个共享内存区的最大字节数shmmax，系统范围内最大共享内存区标识符数shmmni等，可以手工对其调整，但不推荐这样做。

4、系统V共享内存范例

本部分将给出系统V共享内存API的使用方法，并对比分析系统V共享内存机制与mmap()映射普通文件实现共享内存之间的差异，首先给出两个进程通过系统V共享内存通信的范例：

/***** testwrite.c *******/

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/shm.h>

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

typedef struct{

char name[4];

int age;

} people;

main(int argc, char** argv)

{

int shm_id,i;

key_t key;

char temp;

people *p_map;

char* name = "/dev/shm/myshm2";

key = ftok(name,0);

if(key==-1)

perror("ftok error");

shm_id=shmget(key,4096,IPC_CREAT);

if(shm_id==-1)

{

perror("shmget error");

return;

}

p_map=(people*)shmat(shm_id,NULL,0);

temp='a';

for(i = 0;i<10;i++)

{

temp+=1;

memcpy((*(p_map+i)).name,&temp,1);

(*(p_map+i)).age=20+i;

}

if(shmdt(p_map)==-1)

perror(" detach error ");

}

/********** testread.c ************/

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/shm.h>

#include <sys/types.h>

#include <unistd.h>

typedef struct{

char name[4];

int age;

} people;

main(int argc, char** argv)

{

int shm_id,i;

key_t key;

people *p_map;

char* name = "/dev/shm/myshm2";

key = ftok(name,0);

if(key == -1)

perror("ftok error");

shm_id = shmget(key,4096,IPC_CREAT);

if(shm_id == -1)

{

perror("shmget error");

return;

}

p_map = (people*)shmat(shm_id,NULL,0);

for(i = 0;i<10;i++)

{

printf( "name:%s\n",(*(p_map+i)).name );

printf( "age %d\n",(*(p_map+i)).age );

}

if(shmdt(p_map) == -1)

perror(" detach error ");

}

testwrite.c创建一个系统V共享内存区，并在其中写入格式化数据；testread.c访问同一个系统V共享内存区，读出其中的格式化数据。分别把两个程序编译为testwrite及testread，先后执行./testwrite及./testread 则./testread输出结果如下：

name: b age 20; name: c age 21; name: d age 22; name: e age 23; name: f age 24;

name: g age 25; name: h age 26; name: I age 27; name: j age 28; name: k age 29;

通过对试验结果分析，对比系统V与mmap()映射普通文件实现共享内存通信，可以得出如下结论：

1、 系统V共享内存中的数据，从来不写入到实际磁盘文件中去；而通过mmap()映射普通文件实现的共享内存通信可以指定何时将数据写入磁盘文件中。注：前面讲到，系统V共享内存机制实际是通过映射特殊文件系统shm中的文件实现的，文件系统shm的安装点在交换分区上，系统重新引导后，所有的内容都丢失。

2、 系统V共享内存是随内核持续的，即使所有访问共享内存的进程都已经正常终止，共享内存区仍然存在（除非显式删除共享内存，调用shmctl），在内核重新引导之前，对该共享内存区域的任何改写操作都将一直保留。

3、 通过调用mmap()映射普通文件进行进程间通信时，一定要注意考虑进程何时终止对通信的影响。而通过系统V共享内存实现通信的进程则不然。注：这里没有给出shmctl的使用范例，原理与消息队列大同小异。

shmget

int shmget(key_t key, size_t size, int flag);

key: 标识符的规则

size:共享存储段的字节数

flag:读写的权限

返回值：成功返回共享存储的id，失败返回-1

shmat

void *shmat(int shmid, const void *addr, int flag);

shmid：共享存储的id

addr：一般为0，表示连接到由内核选择的第一个可用地址上，否则，如果flag没有指定SHM_RND，则连接到addr所指定的地址上，如果flag为SHM_RND，则地址取整

flag：如前所述，一般为0

返回值：如果成功，返回共享存储段地址，出错返回-1

shmdt

int shmdt(void *addr);

addr:共享存储段的地址，以前调用shmat时的返回值

shmdt将使相关shmid_ds结构中的shm_nattch计数器值减1

shmctl

int shmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds *buf)

shmid:共享存储段的id

cmd：一些命令，有：IPC_STAT,IPC_RMID,SHM_LOCK,SHM_UNLOCK

注意点：

1）平时使用共享内存时，有意的加一个头部，标识是自己的共享内存。(头部可以加key和size)

2）共享内存不会随着程序结束而自动消除，要么调用shmctl删除，要么自己用手敲命令去删除，否则永远留在系统中。

3）使用共享存储时要掌握的唯一窍门就是多个进程之间对一给定存储区的同步访问。若服务器进程正在将数据放入共享存储区，则在它做完这个操作之前，客户进程不应当去取这些数据。(在头部加状态，加锁)

4）使用时就像用malloc一样，只是内存块的来源不一样而已。