进程间的通信—共享内存

一、概念

  共享内存可以说是最有用的进程间通信方式，也是最快的IPC形式。是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。两个不同进程A、B共享内存的意思是，同一块物理内存被映射到进程A、B各自的进程地址空间。进程A可以即时看到进程B对共享内存中数据的更新，反之亦然。由于多个进程共享同一块内存区域，必然需要某种同步机制，互斥锁和信号量都可以。

  采用共享内存通信的一个显而易见的好处是效率高，因为进程可以直接读写内存，而不需要任何数据的拷贝。对于像管道和消息队列等通信方式，则需要在内核和用户空间进行四次的数据拷贝，而共享内存则只拷贝两次数据[1]：一次从输入文件到共享内存区，另一次从共享内存区到输出文件。实际上，进程之间在共享内存时，并不总是读写少量数据后就解除映射，有新的通信时，再重新建立共享内存区域。而是保持共享区域，直到通信完毕为止，这样，数据内容一直保存在共享内存中，并没有写回文件。共享内存中的内容往往是在解除映射时才写回文件的。因此，采用共享内存的通信方式效率是非常高的。

二、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结构体的同时，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; /* operation permission structure */
    struct file *shm_file; /* pointer in kernel */
    unsigned long shm_nattch; /* number of current attaches */
    unsigned long shm_segsz; /* size of segment in bytes */
    time_t shm_atim; /* last-attach time */
    time_t shm_dtim; /* last-detach time */
    time_t shm_ctim; /* last-change time */
    pid_t shm_cprid; /* pid of creator */
    pid_t shm_lprid; /* pid of last shmop() */
};

  正如消息队列和信号灯一样，内核通过数据结构struct ipc_ids shm_ids维护系统中的所有共享内存区域。

  上图中的shm_ids.entries变量指向一个ipc_id结构数组，而每个ipc_id结构数组中有个指向kern_ipc_perm结构的指针。到这里读者应该很熟悉了，对于系统V共享内存区来说，kern_ipc_perm的宿主是 shmid_kernel结构，
shmid_kernel是用来描述一个共享内存区域的，这样内核就能够控制系统中所有的共享区域。

  同时，在shmid_kernel结构的file类型指针shm_file指向文件系统shm中相应的文件，这样，共享内存区域就与shm文件系统中的文件对应起来。

  在创建了一个共享内存区域后，还要将它映射到进程地址空间，系统调用shmat()完成此项功能。由于在调用shmget()时，已经创建了文件系统 shm中的一个同名文件与共享内存区域相对应，因此，调用shmat()的过程相当于映射文件系统shm中的同名文件过程，原理与mmap()大同小异。
　　

三、系统V共享内存API

头文件：
　　　　#include <sys/ipc.h>
　　　　#include <sys/shm.h>

    man(2) 
    
　　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

共享内存读：

#include <unistd.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <stdio.h>  
#include <sys/shm.h>  
#include "shmdata.h"  
  
int main(void)  
{  
    int running = 1;//程序是否继续运行的标志  
    void *shm = NULL;//分配的共享内存的原始首地址  
    struct shared_use_st *shared;//指向shm  
    int shmid;//共享内存标识符  
    //创建共享内存  
    shmid = shmget((key_t)1234, sizeof(struct shared_use_st), 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);  
    //设置共享内存  
    shared = (struct shared_use_st*)shm;  
    shared->written = 0;  
    while(running)//读取共享内存中的数据  
    {  
        //没有进程向共享内存定数据有数据可读取  
        if(shared->written != 0)  
        {  
            printf("You wrote: %s", shared->text);  
            sleep(rand() % 3);  
            //读取完数据，设置written使共享内存段可写  
            shared->written = 0;  
            //输入了end，退出循环（程序）  
            if(strncmp(shared->text, "end", 3) == 0)  
                running = 0;  
        }  
        else//有其他进程在写数据，不能读取数据  
            sleep(1);  
    }  
    //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);  
}

共享内存写：

#include <unistd.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <stdio.h>  
#include <string.h>  
#include <sys/shm.h>  
#include "shmdata.h"  
  
int main(void)  
{  
    int running = 1;  
    void *shm = NULL;  
    struct shared_use_st *shared = NULL;  
    char buffer[BUFSIZ + 1];//用于保存输入的文本  
    int shmid;  
    //创建共享内存  
    shmid = shmget((key_t)1234, sizeof(struct shared_use_st), 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, (void*)0, 0);  
    if(shm == (void*)-1)  
    {  
        fprintf(stderr, "shmat failed\n");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
    printf("Memory attached at %p\n", shm);  
    //设置共享内存  
    shared = (struct shared_use_st*)shm;  
    while(running)//向共享内存中写数据  
    {  
        //数据还没有被读取，则等待数据被读取,不能向共享内存中写入文本  
        while(shared->written == 1)  
        {  
            sleep(1);  
            printf("Waiting...\n");  
        }  
        //向共享内存中写入数据  
        printf("Enter some text: ");  
        fgets(buffer, BUFSIZ, stdin);  
        strncpy(shared->text, buffer, TEXT_SZ);  
        //写完数据，设置written使共享内存段可读  
        shared->written = 1;  
        //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);  
}