LinuxIPC通信-共享内存通信原理

一、共享内存原理

共享内存（shared memory）是最简单的Linux进程间通信方式之一。

使用共享内存，不同进程可以对同一块内存进行读写。

由于所有进程对共享内存的访问就和访问自己的内存空间一样，而不需要进行额外系统调用或内核操作，同时还避免了多余的内存拷贝，所以，这种方式是效率最高、速度最快的进程间通信方式。

这种最大限度的自由也给共享内存带来了缺点：内核并不提供任何对共享内存访问的同步机制，比如同时对共享内存的相同地址进行写操作，则后写的数据会覆盖之前的数据。所以，使用共享内存一般还需要使用其他IPC机制（如信号量）进行读写同步与互斥。

基本原理

了解Linux内存管理机制，就很容易知道共享内存的原理了。

大家知道，内核对内存的管理是以页（page）为单位的，Linux下一般一个page大小是4k。

而程序本身的虚拟地址空间是线性的，所以内核管理了进程从虚拟地址空间到起对应的页的映射。

创建共享内存空间后，内核将不同进程虚拟地址的映射到同一个页面：所以在不同进程中，对共享内存所在的内存地址的访问最终都被映射到同一页面。下面两张图演示了共享内存的工作机制和共享内存的通信原理。

注意事项：

共享内存的大小是固定的，由创建共享内存时确定。

进程间共享内存的读写操作需要进行同步，以避免数据竞争和错误。

共享内存通信需要协调好不同进程对共享内存区域的访问权限。

共享内存通信通过直接共享内存区域，避免了数据拷贝的开销，提供了较高的性能。然而，由于它涉及底层内存操作，需要开发人员谨慎处理，以确保数据的正确性和安全性。

二、共享内存生命周期

共享内存的生命周期是随内核的。

匿名管道、命名管道、消息队列、信号量、共享内存这五种进程间通信方式。两种管道的生命周期是随进程，剩下的都是随内核的。

三、共享内存为什么是最快的通信方式？

因为共享内存的原理是：在物理内存中直接开辟一片空间，并将空间映射到各个进程的虚拟地址空间的共享区；这时候进程就可以通过虚拟地址来直接对共享内存进行操作。

其他通信的方式是将数据拷贝到内核态，用的时候再从内核态拷贝到用户态进行操作

共享内存少了两步从用户态<–>内核态之间的数据拷贝过程，所以共享内存最快。

注意共享内存并没有进行同步与互斥，所以最好搭配信号量或互斥锁来使用。

四、共享内存的操作流程

第一步：创建共享内存

这一步需要指定标识符、大小、权限。成功会返回一个句柄。
使用函数：int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
参数：
key：共享内存标识符这个key可以自己去指定成任意的数字也可以通过系统提供的接口 ftok 去生成一个System V 标准的 IPC key 值
size：共享内存大小，最小也是一个内存页的大小，4096个字节
shmflg：选项信息(权限信息以及如何操作共享内存)

ftok解释：

ftok - convert a pathname and a project identifier to a System V IPC key（通过一个文件名和proj id生成一个System V 标准的IPC key 值）

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

具体过程：proj_id是一个数字，在ftok这个函数内部通过文件名获取到文件的inode结点号，然后将inode结点号这个数字取出一部分，再取出proj_id的一部分，合并起来组成 key 值。

ftok的缺陷：由于ftok是通过文件名和proj_id生成一个key值，会有多个进程连接到共享内存，万一文件被删除了，那么其他进程也就无法访问到这段共享内存了。就算重新创建一个文件，文件的inode结点号也是不一样所以还是无法访问到这段共享内存。

第二步：将共享内存映射到虚拟地址空间

需要句柄、虚拟地址空间的首地址(以便知道映射到哪里去)
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
参数：
shmid: 共享内存创建返回的句柄
shmaddr：映射首地址-通常置NULL
shmflg：
0 可读可写
SHM_RDONLY 只读
返回值：成功：返回映射首地址失败：返回 (void*)-1

第三步：进行内存操作

第四步：解除映射关系

int shmdt(const void *shmaddr);
参数：
shmaddr: 映射首地址
返回值：成功返回：0 失败返回：-1

第五步：删除共享内存

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
参数：
shmid: 句柄
cmd：操作
IPC_RMID 删除共享内存
buf：设置/获取属性信息
想获取传入首地址，不想获取置NULL
共享内存并不会被立即删除，而是判断当前连接数，若不为0，则拒绝后续连接，直到连接数为0的时候才删除这块共享内存。

第六步：Demo

/*共享内存的基本使用*/
 
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <sys/shm.h>
 
#define IPC_KEY 0x12345678
#define PROJ_ID 0x12345678
#define SHM_SIZE    4096
int main()
{
//1、创建/打开共享内存
    int shmid = shmget(IPC_KEY, SHM_SIZE, IPC_CREAT|0664);
    if(shmid < 0){
perror("shmget error");
return -1;
    }
 
//2、将共享内存映射到虚拟地址空间
    char *shm_start = (char*)shmat(shmid, NULL, 0);
    if(shm_start == (void*)-1){
perror("shmat error");
return -1;
    }
 
    //3、进行内存操作
    int i = 0;
    while(1){
printf("%s\n", shm_start);
sleep(1);
    }
 
    //4、解除映射关系
    shmdt(shm_start);
 
    //5、删除共享内存
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
 
    return 0;
}

LinuxIPC通信-共享内存通信原理

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