【linux】系统编程-4-共享内存
前言
- 知识点
- 消息队列、信号量 和 共享内存 被统称为 system-V IPC
- 以上都是“持续性”资源，即它们被创建之后， 不会因为进程的退出而消失
- 消息队列、信号量 和 共享内存 被统称为 system-V IPC
6. 共享内存
6.1 概念
- 共享内存
- 共享内存是进程间通信中最简单的方式之一
- 是效率最高的一种IPC通信机制
- 它允许多个不相关的进程访问同一个逻辑内存
- 注意：
- 共享内存需要用户自己维护，如同步、互斥等工作
- 共享内存属于 临界资源 ，在某一时刻只能一个进程对其操作
- 所以，共享内存一般配合信号量、互斥锁等协调机制使用
- 共享内存优点
- 通信方便
- 接口简单
- 高效率
- 任意进程都可对共享内存进行读写
- 共享内存缺点
- 没有提个同步、互斥等机制，需要用户自己维护
6.2 操作函数
- 使用 shmget 函数创建或获取一个共享内存对象
- 使用 shmat 函数映射到进程的虚拟地址
- 使用 shmdt 函数解除映射，解除映射后，该解除不能再访问该共享内存
- 使用 shmctl 函数获取或设置共享内存的相关属性
6.2.1 shmget()
- 使用 shmget() 创建或获取一个信号量
- 通过命令 man 了解更多
- 所需要的头文件：
#include <sys/ipc.h> #include <sys/shm.h> - 函数原型：
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);- key：标识共享内存的键值
- 0 或 IPC_PRIVATE：创建一个新的共享内存
- 大于 0 的 32 位整数：视参数 shmflg 来确定操作
- size：
- 新建的共享内存大小，以字节为单位，但是会以 页 来取整
- shmflg：
- 0：取共享内存标识符，若不存在则函数会报错
- IPC_CREAT：如果内核中不存在该共享内存，则创建一个新的共享内存；如果存在，则调用
- IPC_CREAT|IPC_EXCL：如果内核中不存在该共享内存，则创建一个新的共享内存；如果存在，则报错
- 返回：
- 成功：返回该共享内存的标识符
- 失败：返回 -1，错误原因记录在变量 error 中：
- EINVAL：参数size小于 SHMMIN 或大于 SHMMAX
- EEXIST：预建立key所指的共享内存，但已经存在
- EIDRM：参数key所指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，而参数shmflg未设IPC_CREAT位
- EACCES：没有权限
- ENOMEM：核心内存不足
- key：标识共享内存的键值
6.2.2 shmat()
- 使用 shmat() 函数映射到进程的虚拟地址
- 通过命令 man 了解更多
- 所需要的头文件：
#include <sys/types.h> #include <sys/shm.h> - 函数原型：
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);- shmid：共享内存标识
- shmaddr：
- 不为 NULL：系统会根据 shmaddr 来选择一个合适的内存区域
- 为 NULL：系统会自动选择一个合适的虚拟内存空间地址去映射共享内存
- shmflg：操作共享内存的方式
- SHM_RDONLY：以只读方式映射共享内存（其它为读写模式）
- SHM_REMAP：重新映射，此时的 shmaddr 不能为 NULL
- NULLSHM：自动选择比 shmaddr 小的最大也对齐地址
- 返回：
- 成功：返回共享内存的起始地址
- 失败：返回 -1，错误原因记录在变量 error 中：
- EACCES：无权限以指定方式连接共享内存
- EINVAL：无效的参数shmid或shmaddr
- ENOMEM：核心内存不足
- 注意：
- 共享内存只能以 只读和读写方式映射，不能以只写方式映射
- shmat()第二个参数 shmaddr
- 一般都设为 NULL ，让系统自动找寻合适的地址。
- 如果不为 NULL ，
- 那么要求 SHM_RND 在 shmflg 必须被设置，系统便会将选择比 shmaddr 小而又最大的页对齐地址（即为SHMLBA的整数倍）作为共享内存区域的起始地址。（相当于自动对齐）
- 如果没有设置 SHM_RND，那么 shmaddr 必须是严格的页对齐地址。（手动对齐）
6.2.3 shmdt()
- 使用 shmdt 函数解除映射，解除映射后，该解除不能再访问该共享内存
- 通过命令 man 了解更多
- 所需要的头文件：
#include <sys/types.h> #include <sys/shm.h> - 函数原型：
int shmdt(const void *shmaddr);- shmaddr：映射的共享内存的起始地址
- 返回：
- 成功：返回 0
- 失败：返回 -1，错误原因记录在变量 error 中：
- EINVAL：无效的参数shmaddr
- 说明：
- 本函数调用并不删除所指定的共享内存区，而只是将先前用shmat函数连接（attach）好的共享内存脱离（detach）目前的进程
6.2.4 shmctl()
- 使用 shmctl 函数获取或设置共享内存的相关属性
- 通过命令 man 了解更多
- 所需要的头文件：
#include <sys/types.h> #include <sys/shm.h> - 函数原型：
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);- shmid：共享内存标识符
- cmd：控制命令
- IPC_STAT：获取属性信息，放置到buf中
- IPC_SET：设置属性信息为buf指向的内容
- IPC_RMID：删除该共享内存
- IPC_INFO：获得关于共享内存的系统限制值信息
- SHM_INFO：获得系统为共享内存消耗的资源信息
- SHM_STAT：与IPC_STAT具有相同的功能，但shmid为该SHM在内核中记录所有SHM信息的数组的下标， 因此通过迭代所有的下标可以获得系统中所有SHM的相关信息
- SHM_LOCK：禁止系统将该SHM交换至swap分区
- SHM_UNLOCK：允许系统将该SHM交换至swap分。
- buf：共享内存管理结构体
struct shmid_ds { struct ipc_perm shm_perm; /* 所有权和权限 */ size_t shm_segsz; /* 共享内存尺寸（字节） */ time_t shm_atime; /* 最后一次映射时间 */ time_t shm_dtime; /* 最后一个解除映射时间 */ time_t shm_ctime; /* 最后一次状态修改时间 */ pid_t shm_cpid; /* 创建者PID */ pid_t shm_lpid; /* 后一次映射或解除映射者PID */ shmatt_t shm_nattch; /* 映射该SHM的进程个数 */ ...}; struct ipc_perm { key_t __key; /* 该共享内存的键值key */ uid_t uid; /* 所有者的有效UID */ gid_t gid; /* 所有者的有效GID */ uid_t cuid; /* 创建者的有效UID */ gid_t cgid; /* 创建者的有效GID */ unsigned short mode; /* 读写权限 + SHM_DEST + SHM_LOCKED 标记 */ unsigned short __seq; /* 序列号 */ }; - 返回：
- 成功：0
- 失败：返回 -1，错误原因记录在变量 error 中：
- EACCESS：参数cmd为IPC_STAT，却无权限读取该共享内存
- EFAULT：参数buf指向无效的内存地址
- EIDRM：标识符为shmid的共享内存已被删除
- EINVAL：无效的参数cmd或shmid
- EPERM：参数cmd为IPC_SET或IPC_RMID，却无足够的权限执行
6.3 例子
- 共享内存写进程
#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include "sem.h"
int main()
{
int running = 1;
void *shm = NULL; // 共享内存首地址（*本进程的虚拟地址*）
struct shared_use_st *shared = NULL;
char buffer[BUFSIZ + 1];
int shmid; //共享内存标识符
int semid; //信号量标识符
//创建共享内存
shmid = shmget((key_t)1234, 4096, 0644 | IPC_CREAT);
if(shmid == -1)
{
fprintf(stderr, "shmget failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//将共享内存连接到当前进程的地址空间
shm = shmat(shmid, (void*)0, 0);
if(shm == (void*)-1)
{
fprintf(stderr, "shmat failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("Memory attached at %p\n", shm);
/* 打开信号量，不存在则创建一个信号量 */
semid = semget((key_t)6666, 1, 0666|IPC_CREAT);
if(semid == -1)
{
printf("sem open fail\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
while(running)//向共享内存中写数据
{
//向共享内存中写入数据
printf("Enter some text: ");
fgets(buffer, BUFSIZ, stdin); // 阻塞等待标准输入
strncpy(shm, buffer, 4096);
sem_v(semid);/* 释放信号量 */
//输入了end，退出循环（程序）
if(strncmp(buffer, "end", 3) == 0)
running = 0;
}
//把共享内存从当前进程中分离
if(shmdt(shm) == -1)
{
fprintf(stderr, "shmdt failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
sleep(2);
exit(EXIT_SUCCESS);
}
- 共享内存读进程
#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include "sem.h"
int main(void)
{
int running = 1;//程序运行标志
char *shm = NULL;// 共享内存首地址（*本进程的虚拟地址*）
int shmid;// 共享内存标识符
int semid;// 信号量标识符
//创建共享内存
shmid = shmget((key_t)1234, 4096, 0666 | IPC_CREAT);
if(shmid == -1)
{
fprintf(stderr, "shmget failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//将共享内存连接到当前进程的地址空间
shm = shmat(shmid, 0, 0);
if(shm == (void*)-1)
{
fprintf(stderr, "shmat failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
printf("\nMemory attached at %p\n", shm);
/* 打开信号量，不存在则创建一个信号量 */
semid = semget((key_t)6666, 1, 0666|IPC_CREAT); /* 创建一个信号量 */
if(semid == -1)
{
printf("sem open fail\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
init_sem(semid, 0); // 初始化信号量的值为 0
while(running)// 读取共享内存中的数据
{
/** 等待信号量 */
if(sem_p(semid) == 0)
{
printf("You wrote: %s", shm);
sleep(rand() % 3);
//输入了end，退出循环（程序）
if(strncmp(shm, "end", 3) == 0)
running = 0;
}
}
del_sem(semid); /* 删除信号量 */
//把共享内存从当前进程中分离
if(shmdt(shm) == -1)
{
fprintf(stderr, "shmdt failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
//删除共享内存
if(shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1)
{
fprintf(stderr, "shmctl(IPC_RMID) failed\n");
exit(EXIT_FAILURE);
}
exit(EXIT_SUCCESS);
}
