Linux——详解共享内存shared memory

一.共享内存介绍

（一）.什么是共享内存

共享内存本质上就是内存中的一块区域，用于进程间通信使用。该内存空间由操作系统分配与管理。与文件系统类似的是，操作系统在管理共享内存时，不仅仅有内存数据块，同时还会创建相应结构体来记录该共享内存属性，以便于管理。

因此，共享内存不只有一份，可以根据需求申请多个。

进程之间进行通信的时候，会获取 到共享内存的地址，写端进程写入数据，读端进程通过直接访问内存完成数据读取。

（二）.共享内存优点

相比于管道而言，共享内存不仅能够用于非父子进程之间的通信，而且访问数据的速度也比管道要快。这得益于通信直接访问内存，而管道则需要先通过操作系统访问文件再获得内存数据。

（三）.共享内存缺点

用于进程间通信时，共享内存本身不支持阻塞等待操作。这是因为当读端读取数据后，数据并不会在内存中清空。因此读端和写端可以同时访问内存空间，即全双工。因为共享内存本质是进程直接访问内存，无法主动停止读取，如果读端不加以限制，那么将持续读取数据。同理，写端也会持续写入数据。换句话说，共享内存本身没有访问控制。

二.共享内存使用

（一）.创建—shmget

想要使用共享内存首先要建立共享内存。

①key

shmget会根据key值创建一个共享内存，因此当创建多个共享内存时，每一个key值要独一无二。

获得key值可以使用库函数ftok专门获取一个独一无二的key_t类型值。

参数pathname为路径，必须是真实存在且可以访问的路径。

参数proj_id是int类型数字，且必须传入非零值。

成功返回key_t值，失败返回-1。

ftok函数内部会根据路径和proj_id通过算法生成一个独一无二的key_t返回值。

多进程通信时，需要通信双方使用同一个key值，因此双方使用的ftok参数应该一致。

②size

该参数用于确定共享内存大小。

一般而言是4096的整数倍，因为内存的块的大小就是4KB即4096B。因此即便我们需要的空间大小不是块大小的整数倍，操作系统实际上也还是分配块的倍数个。但在使用时，那些超过size大小的多余分配空间不能访问。

③shmflg

该参数用于确定共享内存属性。

使用上为：标志位 | 内存权限

标志位参数有两种：IPC_CREAT、IPC_EXCL

常用使用方式有两种：
方式含义shmget(..., IPC_CREAT | 权限)创建失败不报错返回已有shmidshmget(..., IPC_CREAT | IPC_EXCL | 权限)创建失败报错返回-1
值得注意PC_EXCL无法单独使用。

通常情况下在多进程通信时，创建方使用IPC_CREAT | IPC_EXCL，接收方使用0即可。

④返回值

返回值为int类型，称为shmid。每一个共享内存都会有一个shmid，用于连接与分离时传递参数。

（二）.连接—shmat

创建共享内存后还不能直接使用，需要找到内存地址后才能使用，即连接。

shmid即shmget返回值。

shmaddr用于确定将共享内存挂在进程虚拟地址哪个位置，一般填nullptr即可代表让内核自己确定位置。

shmflg用于确定挂接方式，一般填0。

连接成功返回共享内存在进程中的起始地址，失败返回-1。

（三）.分离—shmdt

当使用完毕后，需要分离挂接的共享内存。

shmaddr与shmat的相同，为共享内存在进程中地址位置，一般填nullptr。

分离成功返回0，失败返回-1。

（四）.销毁—shmctl

该接口本身用于控制共享内存，可用于销毁。

shmid不再介绍，cmd传入IPC_RMID，buf传nullptr。

成功返回0，失败返回-1。

（五）.查看—ipcs

该指令为系统指令。

使用时可以查看当前全部共享内存。

**ipcs -m **

（六）.删除—ipcrm

通过指定共享内存shmid，进行删除。

ipcrm -m [shmid]

（七）.读取与写入

调用shmat后会返回一个地址，读端直接读取该地址数据，写端直接向该地址写入即可。

//读端， 将共享内存数据读取到文件，此处为显示器文件
char* p = (char*)shmat(...);
write(1, p, sizeof p);

//写端，将文件中数据写入共享内存，此处为键盘文件
char* p = (char*)shmat(...);
read(0, p, 4096);

三.共享内存与访问控制

（一）.添加访问控制

通过博客第一部分我们知道，共享内存不支持访问控制，那么我们可不可以添加访问控制给共享内存呢——完全可以。

**方式是借用命名管道的访问控制，即阻塞。 **

首先我们有如下代码，该代码是读端一直读取写端数据，直到写端输入quit为止。

//写端
int main()
{
  key_t key = ftok(".", 131);
  int shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT|0660);//获取shmid
  char* p = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);//连接
  while(1){
    ssize_t s = read(0, p, 4096);//写入shm
    p[s - 1] = 0;
    assert(s > 0);
    (void)s;
  }
  shmdt(p);//分离
  return 0;
}

//读端
int main()
{
  key_t key = ftok(".", 131);
  int shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0660);//创建
  char* p = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);//连接
  while(1){
    assert(p != nullptr);
    if(strcmp(p, "quit") == 0)break;
    printf("%s\n", p);//读取shm中数据
    sleep(1);
  }
  shmdt(p);//分离
  shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);//销毁
  return 0;
}

但是因为共享内存无法访问控制，读端会一直读取数据，即便我们添加sleep函数也不能从根本解决问题。

解决方式是，在读端和写端分别加上管道的读端和写端。因为我们知道管道读端在读取到来自写端的数据前会阻塞，因此，将管道读端放在共享内存读端之前，将管道写端放在共享内存写端之后。

这样一来，当shm写端写入数据后会触发管道写端写数据，当管道写端写入数据后，管道读端才会停止阻塞，进而执行shm读端。

图例如下：

代码如下：

//写端
int main()
{
  key_t key = ftok(".", 131);
  int shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT|0660);//获取shmid
  char* p = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);//连接
  int fd = open(..., O_WRONLY);//打开命名管道
  while(1){
    ssize_t s = read(0, p, 4096);//写入shm
    p[s - 1] = 0;
    assert(s > 0);
    (void)s;
    char i[4] = { 0 };
    write(fd, i, sizeof i);//写入管道
  }
  shmdt(p);//分离
  close(fd);
  return 0;
}

//读端
int main()
{
  int i = mkfifo(PATH_FIFO, 0660);//创建管道
  assert(i >= 0);
  key_t key = ftok(".", 131);
  int shmid = shmget(key, 4096, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0660);//创建
  char* p = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);//连接shm
  int fd = open(..., O_RDONLY);//连接管道
  while(1){
    char buf[4];
    read(fd, buf, sizeof buf);//管道等待读取，阻塞
    assert(p != nullptr);
    if(strcmp(p, "quit") == 0)break;
    printf("%s\n", p);//读取shm中数据
    sleep(1);
  }
  shmdt(p);//分离
  shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);//销毁
  close(fd);
  return 0;
}

（二）.可能的陷阱

在添加访问控制时，会有一个可能的陷阱，就是命名管道可不可以在创建shm之前打开（open）呢？

不可以，因为打开管道要求读端和写端同时打开才能继续，否则就会阻塞。

如果阻塞的是写端还好，当读端创建完shm后写端创建失败返回shmid，但是如果阻塞的是读端，那么写端创建shm后，读端创建时因为加上IPC_EXCL的缘故，失败返回-1，之后shmat也失败返回nullptr，进而读端获取到的地址是空。

简单模块注意封装，复杂模块注意分层——未名

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