进程通信：共享内存

摘要: 进程间通信方式中，共享内存是最快的通信方式，但是共享内存必须加锁。
几种共享内存的比较： http://blog.csdn.net/liuhongxiangm/article/details/8308291

1.System V共享内存：

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。系统调用mmap()通过映射一个普通文件实现共享内存。系统V则是通过映射shm文件系统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shm文件系统的一个文件.

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>

//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
int shmget(key_t key, size_t size, 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
*/
void *shmat(int shmid, const void *addr, int flag);
/*
共享存储器的执行方式是将一个储存器区段标记为共用，这时各进程可以把这个区段映射到该进程本身的虚拟地址里。建立共享存储器可通过shmget系统调用，shmget执行后，核心程序就保留一块指定大小的空间，同时关于此共享存储器的一切数据，如区段的长度，区段的存取权，区段建立者的进程识别码等存入一个叫shmid_ds的结构。现在共享存储器虽然已经建立了，可是仍无法连上它，这时就须通过shmat系统调用得到一个指向共享存储器基址的指针，通过此指针，就可以如同于操作一般存储器似的取用共享存储器。shmdt进行相反的工作，用来脱离已连上的共享存储器。
*/

/*
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
*/
int shmdt(void *addr);
/*
当一个进程不再需要共享内存段时，它将调用shmdt()系统调用取消这个段，但是，这并不是从内核真正地删除这个段，而是把相关shmid_ds结构的 shm_nattch域的值减1，当这个值为0时，内核才从物理上删除这个共享段
*/

/*
shmid:共享存储段的id
cmd：一些命令
IPC_STAT 得到共享内存的状态
IPC_SET 改变共享内存的状态
IPC_RMID 删除共享内存
*/
int shmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds *buf)
/*
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。

请注意，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。
*/

例子：

/*****write process.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 ");
}

/********** read process ************/
#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 ");
}

2.mmap()文件映射共享内存：

void* mmap ( void * start , size_t length , int prot , int flags , int fd , off_t offset )

start：映射区的开始地址，设置为0时表示由系统决定映射区的起始地址。

length：映射区的长度。//长度单位是 以字节为单位，不足一内存页按一内存页处理

prot：期望的内存保护标志，不能与文件的打开模式冲突。是以下的某个值，可以通过or运算合理地组合在一起

PROT_EXEC //页内容可以被执行

PROT_READ //页内容可以被读取

PROT_WRITE //页可以被写入

PROT_NONE //页不可访问

flags：指定映射对象的类型，映射选项和映射页是否可以共享。它的值可以是一个或者多个以下位的组合体

MAP_FIXED //使用指定的映射起始地址，如果由start和len参数指定的内存区重叠于现存的映射空间，重叠部分将会被丢弃。如果指定的起始地址不可用，操作将会失败。并且起始地址必须落在页的边界上。

MAP_SHARED //与其它所有映射这个对象的进程共享映射空间。对共享区的写入，相当于输出到文件。直到msync()或者munmap()被调用，文件实际上不会被更新。

MAP_PRIVATE //建立一个写入时拷贝的私有映射。内存区域的写入不会影响到原文件。这个标志和以上标志是互斥的，只能使用其中一个。

MAP_DENYWRITE //这个标志被忽略。

MAP_EXECUTABLE //同上

MAP_NORESERVE //不要为这个映射保留交换空间。当交换空间被保留，对映射区修改的可能会得到保证。当交换空间不被保留，同时内存不足，对映射区的修改会引起段违例信号。

MAP_LOCKED //锁定映射区的页面，从而防止页面被交换出内存。

MAP_GROWSDOWN //用于堆栈，告诉内核VM系统，映射区可以向下扩展。

MAP_ANONYMOUS //匿名映射，映射区不与任何文件关联。

MAP_ANON //MAP_ANONYMOUS的别称，不再被使用。

MAP_FILE //兼容标志，被忽略。

MAP_32BIT //将映射区放在进程地址空间的低2GB，MAP_FIXED指定时会被忽略。当前这个标志只在x86-64平台上得到支持。

MAP_POPULATE //为文件映射通过预读的方式准备好页表。随后对映射区的访问不会被页违例阻塞。

MAP_NONBLOCK //仅和MAP_POPULATE一起使用时才有意义。不执行预读，只为已存在于内存中的页面建立页表入口。

fd：有效的文件描述词。一般是由open()函数返回，其值也可以设置为-1，此时需要指定flags参数中的MAP_ANON,表明进行的是匿名映射。

off_toffset：被映射对象内容的起点。

3.shm_open实现大量数据内存共享

/*
//创建或打开一个共享内存,成功返回一个整数的文件描述符，错误返回-1。
1.name:共享内存区的名字；
2.标志位；open的标志一样
3.权限位*/

int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);

int shm_unlink(const char *name);

shm_open打开的fd，可以用mmap实现内存共享。
编译时要加库文件-lrt

4.内存共享互斥

可以使用信号量，也可以使用互斥锁

pthread_mutex_t默认属性是：PTHREAD_PROCESS_PRIVATE，单进程内部使用，适用于同一个进程多个线程操作，但是可以修改pthread_mutext_t的属性为PTHREAD_PROCESS_SHARED，让其可以适用于多个进程的互斥

修改互斥锁的属性为进程共享

pthread_mutexattr_t mutexattr;
pthread_mutex_t mutex;

pthread_mutexattr_init(&mutexattr);
pthread_mutexattr_setpshared(&mutexattr,PTHREAD_PROCESS_SHARED);    //设置为进程共享

pthread_mutex_init(&mutex,&mutexattr);

pthread_mutex_t 实现进程互斥例子：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/wait.h>

typedef struct _FOO
{
int nCount;
int nData;
}FOO,*PFOO;

int main(int argc,char *argv[])
{
FOO *ptr;
pid_t pid;

pthread_mutexattr_t mutexattr;
pthread_mutex_t mutex;

pthread_mutexattr_init(&mutexattr);
pthread_mutexattr_setpshared(&mutexattr,PTHREAD_PROCESS_SHARED);    //设置为进程共享

pthread_mutex_init(&mutex,&mutexattr);

ptr = (PFOO)mmap(NULL,sizeof(FOO),PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANON,-1,0); //匿名内存映射，让父子进程都操作ptr指向的内存区，如果不使用共享内存，则父子进程的ptr指向的是各自的内存空间
ptr->nCount = 1;
ptr->nData = 2;
printf("%d,%d\n",ptr->nCount,ptr->nData);
if( (pid = fork()) < 0)
{
printf("fork error\n");
return -1;
}
else if( 0 == pid)      //子进程
{
for(int i = 0;i<3;i++)
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
ptr->nCount++;
printf("child ++ === %d\n",ptr->nCount);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
usleep(1000);
}
}
else                //父进程
{
for(int i = 0;i<3;i++)
{
pthread_mutex_lock(&mutex);
ptr->nCount += 2;
printf("parent +2 === %d\n",ptr->nCount);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
usleep(1000);
}
}
waitpid(pid,NULL,0);
munmap(NULL,sizeof(FOO));
return 0;
}

pthread_mutexattr_t 操作API:

pthread_mutexattr_init:配置初始化
pthread_mutexattr_destroy:删除配置初始化接口申请的资源
pthread_mutexattr_setpshared:设置mutex是否进程间共享
pthread_mutexattr_settype:设置类型，如递归调用，错误检测等。
pthread_mutexattr_setprotocol:设置是否支持优先级翻转
pthread_mutexattr_setprioceiling:设置获取信号量的任务运行在最高优先级。