进程间通信------共享内存

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1. 什么是共享内存

   共享内存（Shared Memory），指两个或多个进程共享一个给定的存储区。进程可以将同一段共享内存连接到它们自己的地址空间中，所有进程都可以访问共享内存中的地址，就好像它们是由用C语言函数malloc分配的内存一样。而如果某个进程向共享内存写入数据，所做的改动将立即影响到可以访问同一段共享内存的任何其他进程。

  个人理解：在物理内存上有一块空间，不同的进程通过页表将其映射到自己的虚拟地址空间，返回一个地址，通过这个地址可以访问到那一块内存空间，此内存空间为共享内存；

2. 原理

   下图中红线表示不同进程将自己的地址空间映射到不同物理内存中，各自进行自己的任务，不同进程之间独立工作

  不同进程通过共享内存进行通信：

1. 在物理内存上开辟一块空间，称为共享内存
2. 不同进程将这块共享内存连接到自己的地址空间
3. 不同进程以各自地址空间的虚拟地址通过页表找到共享内存，通过向共享内存中写数据和读数据实现进程间通信

3. 共享内存的特点

1. 以传送数据为目的
2. 所有进程间通信中速度最快的一种方式（例：进程一向共享内存传送数据，进程二能够立马看见传送的数据，少了若干次拷贝）
3. 共享内存生命周期随内核
4. 共享没有自带同步或互斥，由用户来维护共享内存
5. 信号量+共享内存通常结合在一起使用，信号量用来同步对共享内存的访问

4. 共享内存的操作

1. 共享内存的创建

    #include <sys/ipc.h>
    #include <sys/shm.h>
    //如果共享内存不存在，创建共享内存，如果存在就打开共享内存
    int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
    //返回值：成功返回共享内存的标识符，失败返回-1

   参数：共享内存的关键字key

   共享内存的标识符，获取方法和消息队列 key的方法一致，也可认为key就是共享内存的名字

   参数：共享内存的大小size：

   由你自己指定，一般指定为4k的倍数（内存4k为一页）

   参数：共享内存的访问权限shmflg

   共享内存的权限，它与文件的访问权限一样
   IPC_CREAT:创建新的消息队列。
   IPC_EXCL:与IPC_CREAT一同使用，表示如果要创建的消息队列已经存在，则返回错误。 IPC_NOWAIT:读写消息队列要求无法满足时，不阻塞
   0：如果是打开文件，即文件已存在，写0

2. 共享内存的查看

   命令： ipcs -m
   

3. 共享内存的挂载

       #include <sys/types.h>
       #include <sys/shm.h>
   
       //将共享内存链接到进程地址空间    
   
       void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
   
       //返回值：失败返回NULL,成功返回一个指针，为地址空间的虚拟地址，并且连接数加1（nattch）

   参数：共享内存的标识符shmid

   shmget的返回值

   参数：指定连接进程地址空间的地址shmaddr

   共享存储段连接到调用进程的哪个地址上与addr参数以及在flag中是否指定SHM_RND位有关

   • 如果addr为0，则此段连接到由内核选择的第一个可用地址上。这是推荐的使用方式。
   • 如果addr非0，并且没有指定SHM_RND，则此段连接到addr所指定的地址上。
   • 如果addr非0,并且指定了SHM_ RND，则此段连接到（shmaddr -（shmaddr % SHMLBA））所表示的地址上。SHM_RND命令的意思是取整。SHMLBA的意思是低边界地址倍数，它总是2的乘方。该算式是将地址向下取最近1个SHMLBA的倍数。

   注：除非只计划在一种硬件上运行应用程序（这在当今是不大可能的），否则不应指定共享段所连接到的地址。所以一般应指定addr为0，以便由内核选择地址

   参数：共享内存的权限shmflg

   shmflg = SHM_RDONLY，表示连接操作作用来只读共享内存

4. 共享内存的卸载

        #include <sys/types.h>
        #include <sys/shm.h>
   
       //将共享内存与当前连接进程脱离
       int shmdt(const void* shmaddr)
       //返回值：成功返回0,失败返回-1
   
       //参数：由shmat返回的指针
       //注意：将共享内存与进程脱离不等于删除共享内存

5. 共享内存的控制

        #include <sys/ipc.h>
        #include <sys/shm.h>
        //shmctl系统调用对shmid标识的共享内存执行cmd操作
       //返回值：成功返回0，失败返回-1
        int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

   参数：共享内存的表示符shmid

   shmget的返回值

   参数：将要采取的操作cmd

   选项	说明
   IPC_STAT	把shmid_ds结构中的数据设置为共享内存的当前关联值
   IPC_SET	在进程有足够权限的前提下，把共享内存的当前关联值设置为shmid_ds数据结构中给出的值
   IPC_RMID	删除共享内存

   参数：保存共享内存的模式状态和访问权限的数据结构buf

   共享内存的一些属性，填NULL

6. 服务端客户端实例

   comm.h

#ifndef __COMM_H__
#define __COMM_H__

#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#define PATHNAME "."
#define PROJ_ID  0x6666

int createShm(int size);//创建共享内存
int getShm(int size);//获取共享内存
int destoryShm(int shmid);//销毁共享内存

#endif 

comm.c

#include "comm.h"

static int commShm(int size,int flags)//创建共享内存
{
    key_t key = ftok(PATHNAME,PROJ_ID);
    if(key < 0){
        perror("ftok");
        return -1;
    }
    int shmid = shmget(key, size, flags);
    if(shmid < 0){
        perror("shmget");
        return -2;
    }

    return shmid;
}
int createShm(int size)
{
    return commShm(size, IPC_CREAT | IPC_EXCL);
}
int getShm(int size)//获取共享内存
{
    return commShm(size, IPC_CREAT);
}
int destoryShm(int shmid)//销毁共享内存
{
    if(shmctl(shmid, IPC_RMID,NULL) < 0){
        perror("shmctl");
        return -3;
    }
}

server.c

#include "comm.h"

int main()
{
    int shmid = createShm(4096);//创建共享内存

    char* addr = (char*)shmat(shmid,NULL,0);//将共享内存进行挂接

    int i=0;
    while(i++ < 26){
        printf("client：%s\n",addr);
        sleep(1);
    }
    shmdt(addr);//取挂接
    sleep(1); 
   destoryShm(shmid);
    return 0;
}

client.c

#include "comm.h"

int main()
{
    int shmid = getShm(0);//创建共享内存
    char* addr = (char*)shmat(shmid,NULL,0);//将共享内存进行挂接

    int i = 0;
    while(i < 26){
        addr[i] = 'A';
    i++;
    addr[i] = 0;
        sleep(1);
    }

    shmdt(addr);//取挂接
    return 0;
}

Makefile

.PHONY:all

all:server client

server:server.c comm.c
    gcc -o $@ $^

client:client.c comm.c
    gcc -o $@ $^

.PHONY:clean
clean:
    rm -f server client

效果：

7. 总结：共享内存的优缺点

1、优点：我们可以看到使用共享内存进行进程间的通信真的是非常方便，而且函数的接口也简单，数据的共享还使进程间的数据不用传送，而是直接访问内存，也加快了程序的效率。同时，它也不像匿名管道那样要求通信的进程有一定的父子关系。

2、缺点：共享内存没有提供同步的机制，这使得我们在使用共享内存进行进程间通信时，往往要借助其他的手段来进行进程间的同步工作。