3.3 共享内存
（1）共享内存简介
①共享内存区域是被多个进程共享的一部分物理内存
②多个进程都可把该共享内存映射到自己的虚拟内存空间。所有用户空间的进程若要操作共享内存，都要将其映射到自己虚拟内存空间中，通过映射的虚拟内存空间地址去操作共享内存，从而达到进程间的数据通信。
③共享内存是进程间共享数据的一种最快的方法，一个进程向共享内存区域写入数据，共享这个内存区域的所有进程就可以立刻看到其中的内容。
④本身不提供同步机制，可通过信号量进行同步。
⑤提升数据处理效率，一种效率最高的IPC机制。
（2）共享内存属性结构体
（3）共享内存的使用步骤
①使用shmget函数创建共享内存
②使用shmat函数映射共享内存，将这段创建的共享内存映射到具体的进程虚拟内存空间中。
③解除映射
④删除共享内存
（4）共享内存的创建、控制、映射和解除映射
①创建共享内存
| 头文件 |
#include <sys/shm.h> |
| 函数 |
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflag); |
| 参数 |
key： 用户指定的共享内存键值 size：共享内存大小 shmflag：IPC_CREAT、IPC_EXCL等权限组合 |
| 功能 |
创建共享内存 |
| 返回值 |
成功返回内核中共享内存的标识ID，出错返回-1 errno： (1)EINVAL（无效内存段大小） (2)EEXIST（内存段己经存在，无法创建） (3)EIDRM（内存段己经被删除） (4)ENOENT（内存段不存在） (5)EACCESS（权限不够） (6)ENOMEM（没有足够的内存来创建内存段） |
②共享内存的控制
| 头文件 |
#include <sys/shm.h> |
| 函数 |
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds buf); |
| 参数 |
（1）shmid： 共享内存的ID （2）buf：共享内存属性指针 （3）cmd： ①IPC_STAT： 获取共享内存段属性。 ②IPC_SET： 设置共享内存段属性 ③IPC_RMID： 删除共享内存段 ④SHM_LOCK： 锁定共享内存段页面（页面映射到物理内存不和外存进行换入和换出操作） ⑤SHM_UNLOCK：解除共享内存段而面的锁定。 |
| 功能 |
控制共享内存 |
| 返回值 |
成功返回内核中共享内存的标识ID，出错返回-1 |
③共享内存映射和解决映射
| 头文件 |
#include <sys/shm.h> |
| 函数 |
void* shmat(int shmid, char* shmaddr, int shmflag); //映射，成功返回共享内存映射到进程虚拟内存空间的地址，失败返回-1 int shmdt(char* shmaddr); //解除映射。成功返回0，失败返回-1。 |
| 参数 |
（1）shmid： 共享内存ID （2）shmaddr：映射到进程虚拟内存的地址。建议设置为0，由操作系统分配。 （3）shmflag：若shmaddr设置为0，则shmflag也设置为0。 ①SHM_RND：随机 ②SHM_BA： 地址为2的平方 ③SHM_RDONLY： 只读方式链接 |
| 备注 |
（1）errno： ①EINVAL（无效的IPC ID值或无效的地址）； ②ENOMEM（没有足够的内存） ③EACCESS（存取权限不够） （2）子进程不继承父进程创建的共享内存，因为大家是共享的。子进程继承父进程映射的地址。 |
【编程实验】不同进程操作共享内存（使用管道来同步）
//tell.h
#ifndef __TELL_H__ #define __TELL_H__ //管道初始化 extern void init(); //利用管道进行等待 extern void wait_pipe(); //利用管道进行通知 extern void notify_pipe(); //销毁管道 extern void destroy_pipe(); #endif
//tell.c
#include "tell.h"
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
static int fd[2]; //保存管道的文件描述符
//管道初始化
void init()
{
if(pipe(fd) < 0){
perror("pipe error");
}
}
//利用管道进行等待
void wait_pipe()
{
char c;
//管道读写默认是阻塞性的
if(read(fd[0], &c, 1) < 0){
perror("wait pipe error");
}
}
//利用管道进行通知
void notify_pipe()
{
char c = 'c';
if(write(fd[1], &c, 1) != 1){
perror("notify pipe error");
}
}
//销毁管道
void destroy_pipe()
{
close(fd[0]);
close(fd[1]);
}
//cal_shm.c
#include <unistd.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "tell.h"
int main(void)
{
//创建共享内存
int shmid;
if((shmid = shmget(IPC_PRIVATE, 1024, //大小为1024字节
IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0777)) < 0){
perror("shmget error");
exit(1);
}
pid_t pid;
init(); //初始化管道
//创建子进程
if((pid = fork()) < 0){
perror("fork error");
exit(1);
}else if(pid > 0){ //parent process
//进行共享内存的映射
int* pi = (int*)shmat(shmid, 0, 0);
if(pi == (int*)-1){
perror("shmat error");
exit(1);
}
//往共享内存中写入数据(通过地址即可操作!)
*pi = 100;
*(pi + 1) = 200;
//操作完毕，解除映射
shmdt(pi);
//通知子进程到读取共享内存中的数据
notify_pipe();
destroy_pipe();
wait(0);
//删除共享内存
shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
}else{ //child process
//子进程阻塞，等待父进程先往共享内存中写入数据
wait_pipe();
/*子进程从共享内存中读取数据*/
//子进程进行共享内存映射
int* pi = (int*)shmat(shmid, 0, 0);
if(pi == (int*)-1){
perror("shmat error");
exit(1);
}
printf("start: %d end: %d\n", *pi, *(pi + 1));
shmdt(pi);
destroy_pipe();
}
}
【编程实验】共享内存实现ATM（没有互斥、是不安全！）
（1）银行帐户创建在共享内存中（而不是原来的堆）
（2）改多线程为多进程程序。
//account.h
#ifndef __ACCOUNT_H__
#define __ACCOUNT_H__
typedef struct
{
int code; //帐号
double balance; //余额
}Account;
//取款
extern double withdraw(Account* a, double amt); //amt == amount
//存款
extern double deposit(Account* a, double amt);
//查看帐户余额
extern double get_balance(Account* a);
#endif //__ACCOUNT_H__
//account.c
#include "account.h"
#include <string.h>
#include <assert.h>
//取款
double withdraw(Account* a, double amt) //amt == amount
{
assert(a != NULL);
if(amt < 0 || amt > a->balance){
return 0.0;
}
double balance = a->balance; //先取余额
sleep(1); //为模拟进程下可能出现的问题
balance -= amt;
a->balance = balance; //更新余额。在读取余额和更新余额之间有
//故意留出“时间窗口”。
return amt;
}
//存款
double deposit(Account* a, double amt)
{
assert(a != NULL);
if(amt < 0){
return 0.0;
}
double balance = a->balance; //先取余额
sleep(1); //为模拟多进程下可能出现的问题
balance += amt;
a->balance = balance; //更新余额。
return amt;
}
//查看帐户余额
double get_balance(Account* a)
{
assert(a != NULL);
double balance = a->balance;
return balance;
}
//account_test.c
#include "account.h"
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/shm.h>
int main(void)
{
//在共享内存中创建银行帐户
int shmid;
if((shmid = shmget(IPC_PRIVATE, sizeof(Account), IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0777)) < 0){
perror("shmget error");
exit(1);
}
//进程共享内存映射（a为返回的映射地址）
Account* a= (Account*)shmat(shmid, 0, 0);
if(a == (Account*)-1){
perror("shmat error");
exit(1);
}
//银行帐户初始化
a->code = 100001;
a->balance = 10000;
printf("balance: %f\n", a->balance);
//父子进程都进行取款
pid_t pid;
if((pid = fork()) < 0){
perror("fork error");
exit(1);
}else if(pid > 0){ //parent process
//父进程进行取款操作
double amt = withdraw(a, 10000);
printf("pid %d withdraw %f from code %d\n", getpid(), amt, a->code);
//解除映射
shmdt(a);
wait(0);
//删除共享内存区
shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
}else{ //child process
//子进程会继承父进程映射的共享内存地址
//子进程进行取款操作
double amt = withdraw(a, 10000);
printf("pid %d withdraw %f from code %d\n", getpid(), amt, a->code);
//解除映射
shmdt(a);
}
return 0;
}
/*输出结果：
balance: 10000.000000
pid 1939 withdraw 10000.000000 from code 100001
pid 1940 withdraw 10000.000000 from code 100001 //不安全！（可用信号量解决）
*/
