Unix/Linux IPC进程间通信 - 共享内存 C代码

浅浅的花香味﹌ 2022-12-15 11:10 209阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *   *  概述
         *  创建共享内存
         *   *  生成共享内存key
             *  创建共享内存
         *  映射共享内存
         *  解除共享内存映射
         *  销毁共享内存
         *  ipcs与ipcrm命令
         *  C代码示例

### 概述 ###

共享内存与管道相比，速度会更快，因为管道需要经过用户空间到内核空间再到用户空间的数据拷贝，而共享内存是在内核空间中分配一块物理内存，并在用户空间中创建一个虚拟内存与该物理内存进行映射，不同进程可以映射到内核空间中同一个共享物理内存，这样就实现了不同进程访问相同的物理内存，由于直接通过指针就可以访问并改变该物理内存，并且直接反应到其他进程中，没有数据拷贝的动作，所以比管道要更快。  
管道不适合发送数据量大的数据，而共享内存适合大数据在不同进程中共享。但是共享内存没有管道的通知机制，不适合多进程的协同操作。

### 创建共享内存 ###

对于共享内存的创建，内核会分配一个id来标识共享内存。但是在非创建共享内存的其他进程中，如何知道分配的id呢？所以就需要有一个用户空间定义的key来与内核分配的id做关联。  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTM2MzI3NTU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center][]

那么如何生成一个key呢？

#### 生成共享内存key ####

头文件：`#include <sys/ipc.h>`  
函数:`key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);`  
函数的pathname为文件的命名，proj\_id为项目的id，计算key时只会只用proj\_id的低八位字符，所以取值范围别超过-128到127。ftok会根据传入的pathname与proj\_id算出一个冲突最小的键。  
有了key就可以创建共享内存了。

#### 创建共享内存 ####

头文件:`#include <sys/shm.h>`  
函数: `int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);`  
函数key参数就是需要关联到共享内存对象id的key，可以用上一步骤生成的key；size参数为共享内存的字节大小；  
shmflg可以取：

*  0-必须获取一个已有的共享内存，如果没有则失败。
 *  IPC\_CRET-若有则直接获取，没有就创建一个在获取。
 *  IPC\_EXCL-与IPC\_CRET联用，表示必须创建一个共享内存对象，如果该对象则报错。
 *  指定用户、组、其他的权限mode值，与open的mode一样。标识该共享内存的读写权限，目前系统不使用执行权限。

`shmget`函数的返回值为共享内存的id，后续映射、销毁都通过该id操作。

### 映射共享内存 ###

头文件：`#include <sys/shm.h>`  
函数:`void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);`  
参数shmid为创建的共享内存id；  
shmaddr参数为需要映射的虚拟内存地址，指定NULL则代表系统自动分配空闲区域的地址并返回；  
shmflg参数为映射标志：

*  0-可读可写
 *  SHM\_RDONLY - 只读
 *  SHM\_RND - 自动将非NULL的shmaddr地址向下取整数位4096的整数倍。因为一个内存页大小为4096个字节，映射是一页一页映射的。

返回值为被映射的内存地址，程序可以通过这个地址进行读写操作。

映射共享内存后，共享内存引用计数+1。

### 解除共享内存映射 ###

头文件：`#include <sys/shm.h>`  
函数:`int shmdt(const void *shmaddr);`  
shmaddr-共享内存被映射到调用进程的虚拟内存起始地址。  
解除映射后，共享内存引用计数-1。

### 销毁共享内存 ###

头文件：`#include <sys/shm.h>`  
函数:`int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);`  
shmid-共享内存映射id。  
cmd - 取IPC\_RMID可销毁共享内存。  
buf-取NULL。

具体该函数信息查man手册。  
销毁共享内存，不会立马销毁，只是标记该内存即将被销毁，不能在有新的引用被创建，只有当共享内存引用计数变为0了，才会将该内存销毁掉。

### ipcs与ipcrm命令 ###

可以通过`ipcs`加上-m参数获取当前系统中共享内存的列表。-m表示查看共享内存列表。

[admin1@localhost ~]$ ipcs -m
    ------------ 共享内存段 --------------
    键        shmid      拥有者  权限     字节     nattch     状态
    0x01029d20 0          admin1     0          4096       0
    0x01029d21 131073     admin1     644        4096       0

可以通过`ipcrm`命令加-m参数或者-M参数来删除共享内存。-m按 id 号移除共享内存段；-M按键值移除共享内存段。

[admin1@localhost ~]$ ipcrm -m 131073
    [admin1@localhost ~]$ ipcs -m
    ------------ 共享内存段 --------------
    键        shmid      拥有者  权限     字节     nattch     状态
    0x01029d20 0          admin1     0          4096       0

### C代码示例 ###

写共享内存代码:

#include <sys/ipc.h>
    #include <sys/shm.h>
    #include <stdio.h>
    
    int main(void) { 
        printf("生成共享内存key\n");
        key_t k = ftok(".", 1);
        if (k == -1) { 
            perror("ftok");
            return -1;
        }
        printf("创建共享内存\n");
        int sid = shmget(k, 4096, 0644 | IPC_CREAT);
        if (sid == -1) { 
            perror("shmget");
            return -1;
        }
        getchar();
        printf("映射共享内存\n");
        void *sp = shmat(sid, NULL, 0);
        if (sp == (void *) -1) { 
            perror("shmat");
            return -1;
        }
        printf("写入共享内存\n");
        sprintf(sp, "hello world!");
        getchar();
        printf("解除共享内存映射\n");
        if (shmdt(sp) == -1) { 
            perror("shmdt");
            return -1;
        }
        getchar();
        printf("销毁共享内存\n");
        if (shmctl(sid, IPC_RMID, NULL) == -1) { 
            perror("shmctl");
            return -1;
        }
        return 0;
    }

读共享内存代码:

#include <sys/ipc.h>
    #include <sys/shm.h>
    #include <stdio.h>
    
    int main(void) { 
        printf("生成共享内存key\n");
        key_t k = ftok(".", 1);
        if (k == -1) { 
            perror("ftok");
            return -1;
        }
        printf("获取共享内存\n");
        int sid = shmget(k, 0, 0);
        if (sid == -1) { 
            perror("shmget");
            return -1;
        }
        getchar();
        printf("映射共享内存\n");
        void *sp = shmat(sid, NULL, 0);
        if (sp == (void *) -1) { 
            perror("shmat");
            return -1;
        }
        printf("读取共享内存\n");
        printf("%s", (char *) sp);
        getchar();
        printf("解除共享内存映射\n");
        if (shmdt(sp) == -1) { 
            perror("shmdt");
            return -1;
        }
        return 0;
    }

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTM2MzI3NTU_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221123/bd90feaf00bc4ce0a006892f121c2eb3.png