一、什么是共享內(nèi)存

顧名思義，共享內(nèi)存就是允許兩個不相關(guān)的進(jìn)程訪問同一個邏輯內(nèi)存。共享內(nèi)存是在兩個正在運(yùn)行的進(jìn)程之間共享和傳遞數(shù)據(jù)的一種非常有效的方式。不同進(jìn)程之間共享的內(nèi)存通常安排為同一段物理內(nèi)存。進(jìn)程可以將同一段共享內(nèi)存連接到它們自己的地址空間中，所有進(jìn)程都可以訪問共享內(nèi)存中的地址，就好像它們是由用C語言函數(shù)malloc分配的內(nèi)存一樣。而如果某個進(jìn)程向共享內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)，所做的改動將立即影響到可以訪問同一段共享內(nèi)存的任何其他進(jìn)程。

特別提醒：共享內(nèi)存并未提供同步機(jī)制，也就是說，在第一個進(jìn)程結(jié)束對共享內(nèi)存的寫操作之前，并無自動機(jī)制可以阻止第二個進(jìn)程開始對它進(jìn)行讀取。所以我們通常需要用其他的機(jī)制來同步對共享內(nèi)存的訪問，例如前面說到的信號量。有關(guān)信號量的更多內(nèi)容，可以查閱我的另一篇文章：Linux進(jìn)程間通信——使用信號量

二、共享內(nèi)存的使得

與信號量一樣，在Linux中也提供了一組函數(shù)接口用于使用共享內(nèi)存，而且使用共享共存的接口還與信號量的非常相似，而且比使用信號量的接口來得簡單。它們聲明在頭文件 sys/shm.h中。

1、shmget函數(shù)

該函數(shù)用來創(chuàng)建共享內(nèi)存，它的原型為：

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg); 

第一個參數(shù)，與信號量的semget函數(shù)一樣，程序需要提供一個參數(shù)key（非0整數(shù)），它有效地為共享內(nèi)存段命名，shmget函數(shù)成功時返回一個與key相關(guān)的共享內(nèi)存標(biāo)識符（非負(fù)整數(shù)），用于后續(xù)的共享內(nèi)存函數(shù)。調(diào)用失敗返回-1.

不相關(guān)的進(jìn)程可以通過該函數(shù)的返回值訪問同一共享內(nèi)存，它代表程序可能要使用的某個資源，程序?qū)λ泄蚕韮?nèi)存的訪問都是間接的，程序先通過調(diào)用shmget函數(shù)并提供一個鍵，再由系統(tǒng)生成一個相應(yīng)的共享內(nèi)存標(biāo)識符（shmget函數(shù)的返回值），只有shmget函數(shù)才直接使用信號量鍵，所有其他的信號量函數(shù)使用由semget函數(shù)返回的信號量標(biāo)識符。

第二個參數(shù)，size以字節(jié)為單位指定需要共享的內(nèi)存容量

第三個參數(shù)，shmflg是權(quán)限標(biāo)志，它的作用與open函數(shù)的mode參數(shù)一樣，如果要想在key標(biāo)識的共享內(nèi)存不存在時，創(chuàng)建它的話，可以與IPC_CREAT做或操作。共享內(nèi)存的權(quán)限標(biāo)志與文件的讀寫權(quán)限一樣，舉例來說，0644,它表示允許一個進(jìn)程創(chuàng)建的共享內(nèi)存被內(nèi)存創(chuàng)建者所擁有的進(jìn)程向共享內(nèi)存讀取和寫入數(shù)據(jù)，同時其他用戶創(chuàng)建的進(jìn)程只能讀取共享內(nèi)存。

2、shmat函數(shù)

第一次創(chuàng)建完共享內(nèi)存時，它還不能被任何進(jìn)程訪問，shmat函數(shù)的作用就是用來啟動對該共享內(nèi)存的訪問，并把共享內(nèi)存連接到當(dāng)前進(jìn)程的地址空間。它的原型如下：

void *shmat(int shm_id, const void *shm_addr, int shmflg); 

第一個參數(shù)，shm_id是由shmget函數(shù)返回的共享內(nèi)存標(biāo)識。

第二個參數(shù)，shm_addr指定共享內(nèi)存連接到當(dāng)前進(jìn)程中的地址位置，通常為空，表示讓系統(tǒng)來選擇共享內(nèi)存的地址。

第三個參數(shù)，shm_flg是一組標(biāo)志位，通常為0。

調(diào)用成功時返回一個指向共享內(nèi)存第一個字節(jié)的指針，如果調(diào)用失敗返回-1.

3、shmdt函數(shù)

該函數(shù)用于將共享內(nèi)存從當(dāng)前進(jìn)程中分離。注意，將共享內(nèi)存分離并不是刪除它，只是使該共享內(nèi)存對當(dāng)前進(jìn)程不再可用。它的原型如下：

int shmdt(const void *shmaddr); 

參數(shù)shmaddr是shmat函數(shù)返回的地址指針，調(diào)用成功時返回0，失敗時返回-1.

4、shmctl函數(shù)

與信號量的semctl函數(shù)一樣，用來控制共享內(nèi)存，它的原型如下：

int shmctl(int shm_id, int command, struct shmid_ds *buf); 

第一個參數(shù)，shm_id是shmget函數(shù)返回的共享內(nèi)存標(biāo)識符。

第二個參數(shù)，command是要采取的操作，它可以取下面的三個值 ：

•     IPC_STAT：把shmid_ds結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)設(shè)置為共享內(nèi)存的當(dāng)前關(guān)聯(lián)值，即用共享內(nèi)存的當(dāng)前關(guān)聯(lián)值覆蓋shmid_ds的值。
•     IPC_SET：如果進(jìn)程有足夠的權(quán)限，就把共享內(nèi)存的當(dāng)前關(guān)聯(lián)值設(shè)置為shmid_ds結(jié)構(gòu)中給出的值
•     IPC_RMID：刪除共享內(nèi)存段

第三個參數(shù)，buf是一個結(jié)構(gòu)指針，它指向共享內(nèi)存模式和訪問權(quán)限的結(jié)構(gòu)。

shmid_ds結(jié)構(gòu)至少包括以下成員：

struct shmid_ds 
{ 
  uid_t shm_perm.uid; 
  uid_t shm_perm.gid; 
  mode_t shm_perm.mode; 
}; 

三、使用共享內(nèi)存進(jìn)行進(jìn)程間通信

說了這么多，又到了實戰(zhàn)的時候了。下面就以兩個不相關(guān)的進(jìn)程來說明進(jìn)程間如何通過共享內(nèi)存來進(jìn)行通信。其中一個文件shmread.c創(chuàng)建共享內(nèi)存，并讀取其中的信息，另一個文件shmwrite.c向共享內(nèi)存中寫入數(shù)據(jù)。為了方便操作和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一，為這兩個文件定義了相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，定義在文件shmdata.c中。結(jié)構(gòu)shared_use_st中的written作為一個可讀或可寫的標(biāo)志，非0：表示可讀，0表示可寫，text則是內(nèi)存中的文件。

shmdata.h的源代碼如下：

#ifndef _SHMDATA_H_HEADER 
#define _SHMDATA_H_HEADER 
 
#define TEXT_SZ 2048 
 
struct shared_use_st 
{ 
  int written;//作為一個標(biāo)志，非0：表示可讀，0表示可寫 
  char text[TEXT_SZ];//記錄寫入和讀取的文本 
}; 
 
#endif 

源文件shmread.c的源代碼如下：

#include <unistd.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <stdio.h> 
#include <sys/shm.h> 
#include "shmdata.h" 
 
int main() 
{ 
  int running = 1;//程序是否繼續(xù)運(yùn)行的標(biāo)志 
  void *shm = NULL;//分配的共享內(nèi)存的原始首地址 
  struct shared_use_st *shared;//指向shm 
  int shmid;//共享內(nèi)存標(biāo)識符 
  //創(chuàng)建共享內(nèi)存 
  shmid = shmget((key_t)1234, sizeof(struct shared_use_st), 0666|IPC_CREAT); 
  if(shmid == -1) 
  { 
    fprintf(stderr, "shmget failed\n"); 
    exit(EXIT_FAILURE); 
  } 
  //將共享內(nèi)存連接到當(dāng)前進(jìn)程的地址空間 
  shm = shmat(shmid, 0, 0); 
  if(shm == (void*)-1) 
  { 
    fprintf(stderr, "shmat failed\n"); 
    exit(EXIT_FAILURE); 
  } 
  printf("\nMemory attached at %X\n", (int)shm); 
  //設(shè)置共享內(nèi)存 
  shared = (struct shared_use_st*)shm; 
  shared->written = 0; 
  while(running)//讀取共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù) 
  { 
    //沒有進(jìn)程向共享內(nèi)存定數(shù)據(jù)有數(shù)據(jù)可讀取 
    if(shared->written != 0) 
    { 
      printf("You wrote: %s", shared->text); 
      sleep(rand() % 3); 
      //讀取完數(shù)據(jù)，設(shè)置written使共享內(nèi)存段可寫 
      shared->written = 0; 
      //輸入了end，退出循環(huán)（程序） 
      if(strncmp(shared->text, "end", 3) == 0) 
        running = 0; 
    } 
    else//有其他進(jìn)程在寫數(shù)據(jù)，不能讀取數(shù)據(jù) 
      sleep(1); 
  } 
  //把共享內(nèi)存從當(dāng)前進(jìn)程中分離 
  if(shmdt(shm) == -1) 
  { 
    fprintf(stderr, "shmdt failed\n"); 
    exit(EXIT_FAILURE); 
  } 
  //刪除共享內(nèi)存 
  if(shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1) 
  { 
    fprintf(stderr, "shmctl(IPC_RMID) failed\n"); 
    exit(EXIT_FAILURE); 
  } 
  exit(EXIT_SUCCESS); 
} 

源文件shmwrite.c的源代碼如下：

#include <unistd.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <stdio.h> 
#include <string.h> 
#include <sys/shm.h> 
#include "shmdata.h" 
 
int main() 
{ 
  int running = 1; 
  void *shm = NULL; 
  struct shared_use_st *shared = NULL; 
  char buffer[BUFSIZ + 1];//用于保存輸入的文本 
  int shmid; 
  //創(chuàng)建共享內(nèi)存 
  shmid = shmget((key_t)1234, sizeof(struct shared_use_st), 0666|IPC_CREAT); 
  if(shmid == -1) 
  { 
    fprintf(stderr, "shmget failed\n"); 
    exit(EXIT_FAILURE); 
  } 
  //將共享內(nèi)存連接到當(dāng)前進(jìn)程的地址空間 
  shm = shmat(shmid, (void*)0, 0); 
  if(shm == (void*)-1) 
  { 
    fprintf(stderr, "shmat failed\n"); 
    exit(EXIT_FAILURE); 
  } 
  printf("Memory attached at %X\n", (int)shm); 
  //設(shè)置共享內(nèi)存 
  shared = (struct shared_use_st*)shm; 
  while(running)//向共享內(nèi)存中寫數(shù)據(jù) 
  { 
    //數(shù)據(jù)還沒有被讀取，則等待數(shù)據(jù)被讀取,不能向共享內(nèi)存中寫入文本 
    while(shared->written == 1) 
    { 
      sleep(1); 
      printf("Waiting...\n"); 
    } 
    //向共享內(nèi)存中寫入數(shù)據(jù) 
    printf("Enter some text: "); 
    fgets(buffer, BUFSIZ, stdin); 
    strncpy(shared->text, buffer, TEXT_SZ); 
    //寫完數(shù)據(jù)，設(shè)置written使共享內(nèi)存段可讀 
    shared->written = 1; 
    //輸入了end，退出循環(huán)（程序） 
    if(strncmp(buffer, "end", 3) == 0) 
      running = 0; 
  } 
  //把共享內(nèi)存從當(dāng)前進(jìn)程中分離 
  if(shmdt(shm) == -1) 
  { 
    fprintf(stderr, "shmdt failed\n"); 
    exit(EXIT_FAILURE); 
  } 
  sleep(2); 
  exit(EXIT_SUCCESS); 
} 

再來看看運(yùn)行的結(jié)果：

分析：

1、程序shmread創(chuàng)建共享內(nèi)存，然后將它連接到自己的地址空間。在共享內(nèi)存的開始處使用了一個結(jié)構(gòu)struct_use_st。該結(jié)構(gòu)中有個標(biāo)志written，當(dāng)共享內(nèi)存中有其他進(jìn)程向它寫入數(shù)據(jù)時，共享內(nèi)存中的written被設(shè)置為0，程序等待。當(dāng)它不為0時，表示沒有進(jìn)程對共享內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)，程序就從共享內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)并輸出，然后重置設(shè)置共享內(nèi)存中的written為0，即讓其可被shmwrite進(jìn)程寫入數(shù)據(jù)。

2、程序shmwrite取得共享內(nèi)存并連接到自己的地址空間中。檢查共享內(nèi)存中的written，是否為0，若不是，表示共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)還沒有被完，則等待其他進(jìn)程讀取完成，并提示用戶等待。若共享內(nèi)存的written為0，表示沒有其他進(jìn)程對共享內(nèi)存進(jìn)行讀取，則提示用戶輸入文本，并再次設(shè)置共享內(nèi)存中的written為1，表示寫完成，其他進(jìn)程可對共享內(nèi)存進(jìn)行讀操作。

四、關(guān)于前面的例子的安全性討論

這個程序是不安全的，當(dāng)有多個程序同時向共享內(nèi)存中讀寫數(shù)據(jù)時，問題就會出現(xiàn)?？赡苣銜J(rèn)為，可以改變一下written的使用方式，例如，只有當(dāng)written為0時進(jìn)程才可以向共享內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)，而當(dāng)一個進(jìn)程只有在written不為0時才能對其進(jìn)行讀取，同時把written進(jìn)行加1操作，讀取完后進(jìn)行減1操作。這就有點像文件鎖中的讀寫鎖的功能。咋看之下，它似乎能行得通。但是這都不是原子操作，所以這種做法是行不能的。試想當(dāng)written為0時，如果有兩個進(jìn)程同時訪問共享內(nèi)存，它們就會發(fā)現(xiàn)written為0，于是兩個進(jìn)程都對其進(jìn)行寫操作，顯然不行。當(dāng)written為1時，有兩個進(jìn)程同時對共享內(nèi)存進(jìn)行讀操作時也是如些，當(dāng)這兩個進(jìn)程都讀取完是，written就變成了-1.

要想讓程序安全地執(zhí)行，就要有一種進(jìn)程同步的進(jìn)制，保證在進(jìn)入臨界區(qū)的操作是原子操作。例如，可以使用前面所講的信號量來進(jìn)行進(jìn)程的同步。因為信號量的操作都是原子性的。

五、使用共享內(nèi)存的優(yōu)缺點

1、優(yōu)點：我們可以看到使用共享內(nèi)存進(jìn)行進(jìn)程間的通信真的是非常方便，而且函數(shù)的接口也簡單，數(shù)據(jù)的共享還使進(jìn)程間的數(shù)據(jù)不用傳送，而是直接訪問內(nèi)存，也加快了程序的效率。同時，它也不像匿名管道那樣要求通信的進(jìn)程有一定的父子關(guān)系。

2、缺點：共享內(nèi)存沒有提供同步的機(jī)制，這使得我們在使用共享內(nèi)存進(jìn)行進(jìn)程間通信時，往往要借助其他的手段來進(jìn)行進(jìn)程間的同步工作。

以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持腳本之家。

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