共享内存
共享内存是两个或多个进程之间共享的内存。但是，为什么我们需要共享内存或其他一些通信方式？
重申一下，每个进程都有自己的地址空间，如果任何进程想要将自己地址空间中的某些信息与其他进程进行通信，那么只能通过IPC（进程间通信）技术来实现。正如我们已经意识到的，通信可以在相关或不相关的进程之间进行。
通常，相关进程之间的通信是使用管道或命名管道来执行的。不相关的进程（例如，一个进程在一个终端中运行，另一个进程在另一个终端中运行）通信可以使用命名管道或通过共享内存和消息队列的流行 IPC 技术来执行。
我们已经了解了管道和命名管道的 IPC 技术，现在是时候了解其余的 IPC 技术了，即共享内存、消息队列、信号量、信号和内存映射。
在本章中，我们将了解有关共享内存的所有信息。
我们知道，为了在两个或多个进程之间进行通信，我们使用共享内存，但在使用共享内存之前需要对系统调用执行哪些操作，让我们看看这个 -
创建共享内存段或使用已创建的共享内存段（shmget()）
将进程附加到已创建的共享内存段（shmat()）
将进程与已附加的共享内存段分离（shmdt()）
对共享内存段的控制操作（shmctl()）
让我们看一下与共享内存相关的系统调用的一些细节。
#include <sys/ipc.h> #include <sys/shm.h> int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg)
上述系统调用创建或分配一个 System V 共享内存段。需要传递的参数如下 -
第一个参数 key识别共享内存段。密钥可以是任意值，也可以是从库函数 ftok() 导出的值。键也可以是IPC_PRIVATE，表示运行进程作为服务器和客户端（父子关系），即相互关联的进程通信。如果客户端想要使用此键的共享内存，那么它必须是服务器的子进程。另外，子进程需要在父进程获得共享内存后创建。
第二个参数 size是共享内存段的大小，四舍五入为 PAGE_SIZE 的倍数。
第三个参数 shmflg指定所需的共享内存标志，例如 IPC_CREAT（创建新段）或 IPC_EXCL（与 IPC_CREAT 一起使用来创建新段，如果段已存在，则调用失败）。还需要通过权限。
注意- 有关权限的详细信息，请参阅前面的部分。
如果成功，此调用将返回有效的共享内存标识符（用于进一步调用共享内存），如果失败，则返回 -1。要了解失败的原因，请使用 errno 变量或 perror() 函数进行检查。
#include <sys/types.h> #include <sys/shm.h> void * shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg)
上述系统调用对System V共享内存段执行共享内存操作，即将共享内存段附加到调用进程的地址空间。需要传递的参数如下 -
第一个参数 shmid是共享内存段的标识符。这个id是共享内存标识符，是shmget()系统调用的返回值。
第二个参数 shmaddr是指定附加地址。如果 shmaddr 为 NULL，系统默认选择合适的地址来附加段。如果 shmaddr 不为 NULL 并且在 shmflg 中指定了 SHM_RND，则附加等于 SHMLBA（下边界地址）的最接近倍数的地址。否则，shmaddr 必须是共享内存附加发生/开始的页对齐地址。
第三个参数 shmflg指定所需的共享内存标志，例如 SHM_RND（将地址四舍五入到 SHMLBA）或 SHM_EXEC（允许执行段的内容）或 SHM_RDONLY（默认情况下附加段用于只读目的）它是读写的）或SHM_REMAP（替换shmaddr指定范围内的现有映射并继续直到段末尾）。
如果成功，此调用将返回附加共享内存段的地址，如果失败，则返回 -1。要了解失败的原因，请使用 errno 变量或 perror() 函数进行检查。
#include <sys/types.h> #include <sys/shm.h> int shmdt(const void *shmaddr)
上述系统调用对System V共享内存段执行共享内存操作，将共享内存段与调用进程的地址空间分离。需要传递的参数是 -
参数 shmaddr 是要分离的共享内存段的地址。要分离的段必须是 shmat() 系统调用返回的地址。
成功时此调用将返回 0，失败时返回 -1。要了解失败的原因，请使用 errno 变量或 perror() 函数进行检查。
#include <sys/ipc.h> #include <sys/shm.h> int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf)
上述系统调用对System V共享内存段执行控制操作。需要传递以下参数 -
第一个参数 shmid 是共享内存段的标识符。这个id是共享内存标识符，是shmget()系统调用的返回值。
第二个参数 cmd 是对共享内存段执行所需控制操作的命令。
cmd 的有效值为 -
IPC_STAT - 将 struct shmid_ds 每个成员的当前值信息复制到 buf 指向的传递结构。该命令需要共享内存段的读权限。
IPC_SET - 设置结构 buf 指向的用户 ID、所有者组 ID、权限等。
IPC_RMID - 标记要销毁的段。仅当最后一个进程将其分离后，该段才会被销毁。
IPC_INFO - 返回有关 buf 指向的结构中的共享内存限制和参数的信息。
SHM_INFO - 返回一个 shm_info 结构，其中包含有关共享内存消耗的系统资源的信息。
第三个参数 buf 是指向名为 struct shmid_ds 的共享内存结构的指针。该结构的值将用于根据 cmd 设置或获取。
此调用根据传递的命令返回值。IPC_INFO 和 SHM_INFO 或 SHM_STAT 成功时返回共享内存段的索引或标识符，对于其他操作返回 0，如果失败则返回 -1。要了解失败的原因，请使用 errno 变量或 perror() 函数进行检查。
让我们考虑以下示例程序。
创建两个进程，一个用于写入共享内存（shm_write.c），另一个用于从共享内存读取（shm_read.c）
程序通过写进程（shm_write.c）向共享内存写入数据，通过读进程（shm_read.c）从共享内存中读取数据
在共享内存中，写入过程，创建大小为1K（和标志）的共享内存并附加共享内存
写入过程将 5 次从“A”到“E”的字母写入共享内存，每个字母 1023 个字节。最后一个字节表示缓冲区的结束
读进程将从共享内存中读取并写入标准输出
读写过程动作同时执行
写入完成后，写入进程更新以指示写入共享内存完成（struct shmseg 中包含完整变量）
读取过程从共享内存中执行读取并显示在输出上，直到获得写入过程完成的指示（struct shmseg 中的完整变量）
执行几次读写过程以简化，也是为了避免无限循环和使程序复杂化
以下是写入过程的代码（写入共享内存 - 文件：shm_write.c）
/* Filename: shm_write.c */
#include<stdio.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>
#include<sys/types.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
#define BUF_SIZE 1024
#define SHM_KEY 0x1234
struct shmseg {
int cnt;
int complete;
char buf[BUF_SIZE];
};
int fill_buffer(char * bufptr, int size);
int main(int argc, char *argv[]) {
int shmid, numtimes;
struct shmseg *shmp;
char *bufptr;
int spaceavailable;
shmid = shmget(SHM_KEY, sizeof(struct shmseg), 0644|IPC_CREAT);
if (shmid == -1) {
perror("Shared memory");
return 1;
}
// Attach to the segment to get a pointer to it.
shmp = shmat(shmid, NULL, 0);
if (shmp == (void *) -1) {
perror("Shared memory attach");
return 1;
}
/* Transfer blocks of data from buffer to shared memory */
bufptr = shmp->buf;
spaceavailable = BUF_SIZE;
for (numtimes = 0; numtimes < 5; numtimes++) {
shmp->cnt = fill_buffer(bufptr, spaceavailable);
shmp->complete = 0;
printf("Writing Process: Shared Memory Write: Wrote %d bytes\n", shmp->cnt);
bufptr = shmp->buf;
spaceavailable = BUF_SIZE;
sleep(3);
}
printf("Writing Process: Wrote %d times\n", numtimes);
shmp->complete = 1;
if (shmdt(shmp) == -1) {
perror("shmdt");
return 1;
}
if (shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1) {
perror("shmctl");
return 1;
}
printf("Writing Process: Complete\n");
return 0;
}
int fill_buffer(char * bufptr, int size) {
static char ch = 'A';
int filled_count;
//printf("size is %d\n", size);
memset(bufptr, ch, size - 1);
bufptr[size-1] = '\0';
if (ch > 122)
ch = 65;
if ( (ch >= 65) && (ch <= 122) ) {
if ( (ch >= 91) && (ch <= 96) ) {
ch = 65;
}
}
filled_count = strlen(bufptr);
//printf("buffer count is: %d\n", filled_count);
//printf("buffer filled is:%s\n", bufptr);
ch++;
return filled_count;
}
编译和执行步骤
Writing Process: Shared Memory Write: Wrote 1023 bytes Writing Process: Shared Memory Write: Wrote 1023 bytes Writing Process: Shared Memory Write: Wrote 1023 bytes Writing Process: Shared Memory Write: Wrote 1023 bytes Writing Process: Shared Memory Write: Wrote 1023 bytes Writing Process: Wrote 5 times Writing Process: Complete
以下是读取过程的代码（从共享内存读取并写入标准输出 - 文件：shm_read.c）
/* Filename: shm_read.c */
#include<stdio.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>
#include<sys/types.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<stdlib.h>
#define BUF_SIZE 1024
#define SHM_KEY 0x1234
struct shmseg {
int cnt;
int complete;
char buf[BUF_SIZE];
};
int main(int argc, char *argv[]) {
int shmid;
struct shmseg *shmp;
shmid = shmget(SHM_KEY, sizeof(struct shmseg), 0644|IPC_CREAT);
if (shmid == -1) {
perror("Shared memory");
return 1;
}
// Attach to the segment to get a pointer to it.
shmp = shmat(shmid, NULL, 0);
if (shmp == (void *) -1) {
perror("Shared memory attach");
return 1;
}
/* Transfer blocks of data from shared memory to stdout*/
while (shmp->complete != 1) {
printf("segment contains : \n\"%s\"\n", shmp->buf);
if (shmp->cnt == -1) {
perror("read");
return 1;
}
printf("Reading Process: Shared Memory: Read %d bytes\n", shmp->cnt);
sleep(3);
}
printf("Reading Process: Reading Done, Detaching Shared Memory\n");
if (shmdt(shmp) == -1) {
perror("shmdt");
return 1;
}
printf("Reading Process: Complete\n");
return 0;
}
编译和执行步骤
segment contains : "AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA" Reading Process: Shared Memory: Read 1023 bytes segment contains : "BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB" Reading Process: Shared Memory: Read 1023 bytes segment contains : "CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC" Reading Process: Shared Memory: Read 1023 bytes segment contains : "DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD" Reading Process: Shared Memory: Read 1023 bytes segment contains : "EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE" Reading Process: Shared Memory: Read 1023 bytes Reading Process: Reading Done, Detaching Shared Memory Reading Process: Complete