Linux进程间通信 --- 共享内存

共享内存 IPC 原理

共享内存进程间通信机制主要用于实现进程间大量的数据传输，下图所示为进程间使用共享内存实现大量数据传输的示意图：

共享内存是在内存中单独开辟的一段内存空间，这段内存空间有自己特有的数据结构，包括访问权限、大小和最近访问的时间等。该数据结构定义如下：

from /usr/include/linux/shm.h

struct shmid_ds {
    struct ipc_perm     shm_perm;   /* operation perms 操作权限 */
    int         shm_segsz;  /* size of segment (bytes) 段长度大小 */
    __kernel_time_t     shm_atime;  /* last attach time 最近attach时间 */
    __kernel_time_t     shm_dtime;  /* last detach time 最近detach时间 */
    __kernel_time_t     shm_ctime;  /* last change time 最近change时间 */
    __kernel_ipc_pid_t  shm_cpid;   /* pid of creator 创建者pid */
    __kernel_ipc_pid_t  shm_lpid;   /* pid of last operator 最近操作pid */
    unsigned short      shm_nattch; /* no. of current attaches */
    unsigned short      shm_unused; /* compatibility */
    void            *shm_unused2;   /* ditto - used by DIPC */
    void            *shm_unused3;   /* unused */
};

两个进程在使用此共享内存空间之前，需要在进程地址空间与共享内存空间之间建立联系，即将共享内存空间挂载到进程中。

系统对共享内存做了以下限制：

#define SHMMAX 0x2000000         /* max shared seg size (bytes) 最大共享段大小 */
#define SHMMIN 1             /* min shared seg size (bytes) 最小共享段大小 */
#define SHMMNI 4096          /* max num of segs system wide */
#define SHMALL (SHMMAX/getpagesize()*(SHMMNI/16))
#define SHMSEG SHMMNI            /* max shared segs per process */

Linux 共享内存管理

1.创建共享内存

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

/*
 * 第一个参数为 key 值，一般由 ftok() 函数产生
 * 第二个参数为欲创建的共享内存段大小(单位为字节)
 * 第三个参数用来标识共享内存段的创建标识
 */
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

2.共享内存控制

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

/*
 * 第一个参数为要操作的共享内存标识符
 * 第二个参数为要执行的操作
 * 第三个参数为 shmid_ds 结构的临时共享内存变量信息
 */
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

3.映射共享内存对象

系统调用 shmat() 函数实现将一个共享内存段映射到调用进程的数据段中，并返回内存空间首地址，其函数声明如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>

/*
 * 第一个参数为要操作的共享内存标识符
 * 第二个参数用来指定共享内存的映射地址，非0则为此参数，为0的话由系统分配
 * 第三个参数用来指定共享内存段的访问权限和映射条件
 */
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

4.分离共享内存对象

在使用完毕共享内存空间后，需要使用 shmdt() 函数调用将其与当前进程分离。函数声明如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>

/*
 * 参数为分配的共享内存首地址
 */
int shmdt(const void *shmaddr);

共享内存在父子进程间遵循的约定

1.使用 fork() 函数创建一个子进程后，该进程继承父亲进程挂载的共享内存。
2.如果调用 exec() 执行一个新的程序，则所有挂载的共享内存将被自动卸载。
3.如果在某个进程中调用了 exit() 函数，所有挂载的共享内存将与当前进程脱离关系。

程序实例

申请一段共享内存，父进程在首地址处存入一整数，子进程读出。

#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>

#define SHM_SIZE 1024

int main()
{
    int shm_id, pid;
    int *ptr = NULL;

    /* 申请共享内存 */
    shm_id = shmget((key_t)1004, SHM_SIZE, IPC_CREAT | 0600);

    /* 映射共享内存到进程地址空间 */
    ptr = (int*)shmat(shm_id, 0, 0);

    printf("Attach addr is %p \n", ptr);

    *ptr = 1004;

    printf("The Value of Parent is : %d \n", *ptr);

    if((pid=fork()) == -1){
        perror("fork Err");
        exit(0);
    }
    else if(!pid){
        printf("The Value of Child is : %d \n", *ptr);
        exit(0);
    }else{
        sleep(1);

        /* 解除映射 */
        shmdt(ptr);
        
        /* 删除共享内存 */
        shmctl(shm_id, IPC_RMID, 0);
    }

    return 0;
}

输出结果：