操作系统进程-进程间通信,system v与POSIX在共享内存方面（shmget、shmat、shmdt、shmctl和shm_open、mmap、munmap、shm_unlink）函数的介绍

于 2025-01-19 13:22:17 发布
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共享内存(sharedmemory)

概述

共享内存是进程间通信中最简单的一种，也是最快的一种，共享内存就是一段能被其他进程所共同访问的物理内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问

优点

因为所有进程共享同一块内存，所以共享内存在各种进程通信方式中具有最高的效率，访问共享内存区域和访问进程独有的内存区一样快，不需要通过其他方式来完成，所以避免了对数据的不必要复制

缺点

因为所有进程共享内存，就会引起同步的问题，而系统对访问共享内存没有进行同步机制，就需要用户自己来提供同步措施

共享内存使用步骤
  1. 创建新的共享内存

从内存中申请一段共享内存区域，所有的进程都共享对同一内存的访问，但只应由一个进程来创建新的共享内存。

再次使用一块已经存在的内存块不会创建新内存，而是会返回一个标识该内存块的标识符。

  1. 映射共享内存到各进程的地址空间

一个进程如果需要使用这个共享内存块，首先必须将它映射到自己的地址空间，这样会创建一个从进程虚拟地址空间到共享内存页面的映射关系

注：所有的共享内存块的大小都必须时系统页面大小的整数倍，系统页面大小指的是系统中单个内存页面包括的字节数，在Linux系统中，内存页面大小是4kb，用户可以通过调用getpagesize()函数获取这个值。

  1. 使用共享内存进行数据交换

经过映射后，进程就可以通过映射的地址来访问这段共享内存。

实现方式：strcpy、memcpy、memset、bzero等

  1. 断开与共享内存的映射

当进程对共享内存的使用结束以后，这个映射关系将被删除，所以进程需要断开与共享内存的映射。

  1. 回收共享内存

当没有进程需要使用共享内存的时候，必须要有一个进程负责将这个共享内存快释放，以便系统回收。

共享内存相关函数

有两类API函数用于在进程间共享内存：System V 和POSIX，这两类函数在使用上遵从的原则相同，核心思想就是任何要被共享的内存都必须经过显示的分配。

System V
shmget

调用头文件

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

函数原型

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

功能

如果有则得到一个共享内存的描述符，如果无则创建一个共享内存对象并返回标识符

参数

  • key：通常来源于ftok返回的IPC值，如果key为（IPC_PRIVATE）则会创建新的共享内存

  • ftok：key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);，传入的路径必须是存在的路径且可访问

  • size：创建的共享内存大小，以字节为单位，一般使用getpagesize()函数来获取页大小。

  • shmflg：

    当shmflg&IPC_CREAT为真时，如果内核中不存在键值与key相等的共享内存，则新建一个共享内存；如果存在这样的共享内存，返回此共享内存的标识符。

    如果shmflg中包含了IPC_CREAT和IPC_EXCL，如果内核中不存在键值与key相等的共享内存，则新建一个共享内存；如果存在则报错，可以通过此方式来验证共享内存是否已经存在。shmflg也用来决定共享内存的访问权限。

返回值

成功返回共享内存标识符，失败返回**-1**，提供错误码

shmat

调用头文件

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

函数原型

void *shmat(int shmid,const void *shmaddr, int shmflg);

功能

连接共享内存，成功后会将共享内存映射到调用进程的地址空间

参数

  • shmid：共享内存的标识符

  • shmaddr：指定共享内存映射到地址空间的什么位置，可指定NULL让内核自己决定一个合适的地址位置

  • shmflg：输入以下内容，则为特定功能，输入其他则为读写模式，一般写0

    /* Flags for `shmat’. */

    #define SHM_RDONLY 010000 /* attach read-only else read-write */

    #define SHM_RND 020000 /* round attach address to SHMLBA */

    #define SHM_REMAP 040000 /* take-over region on attach */

    #define SHM_EXEC 0100000 /* execution access */

返回值

成功返回已连接的地址，否则返回(void *)-1，提供错误码

shmdt

调用头文件

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

函数原型

int shmdt(const void *shmaddr);

功能

断开之前连接的共享内存

参数

  • shmaddr：连接的共享内存起始地址

返回值

成功返回0，否则返回**-1**，提供错误码

shmctl

调用头文件

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

函数原型

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

功能

控制共享内存的运行

参数

  • shmid：共享内存的标识符

  • cmd：操作模式

    /* Control commands for msgctl, semctl, and shmctl. */

    #define IPC_RMID 0 /* Remove identifier. */

    #define IPC_SET 1 /* Set `ipc_perm’ options. */

    #define IPC_STAT 2 /* Get `ipc_perm’ options. */

    /* Commands for `shmctl’. */

    #define SHM_LOCK 11 /* lock segment (root only) */

    #define SHM_UNLOCK 12 /* unlock segment (root only) */

  • buf：指向struct shmid_ds结构体的指针

返回值

成功返回0，否则返回**-1**，提供错误码

//shm.h
/* Data structure describing a shared memory segment.  */
struct shmid_ds
  {
    struct  ipc_perm shm_perm;		/* operation permission struct */
    size_t  shm_segsz;			/* size of segment in bytes */
    __time_t  shm_atime;			/* time of last shmat() */
    __time_t  shm_dtime;			/* time of last shmdt() */
    __time_t  shm_ctime;			/* time of last change by shmctl() */
    __pid_t  shm_cpid;			/* pid of creator */
    __pid_t  shm_lpid;			/* pid of last shmop */
    shmatt_t  shm_nattch;		/* number of current attaches */
    __syscall_ulong_t  __glibc_reserved4;
    __syscall_ulong_t  __glibc_reserved5;
  };
函数实例
  1. 创建共享内存
#include "head.h"

int main(int argc, char const *argv[])
{
    key_t key = ftok(PATH_SHM_NAME, PROJ_ID);

    // 1.创建共享内存
    int shmid = shmget(key, getpagesize() * 2, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0777);
    if (shmid == -1)
    {
        perror("shmget failed");
        return -1;
    }
    printf("shmid=%d\n",shmid);
    return 0;
}
  1. 向共享内存发送数据
#include "head.h"

int main(int argc, char const *argv[])
{
    key_t key = ftok(PATH_SHM_NAME,PROJ_ID);

    //1.得到编号共享内存
    int shmid = shmget(key,getpagesize()*2,0777);
    if (shmid == -1)
    {
        perror("shmget failed");
        return -1;
    }
    printf("shmid=%d\n",shmid);

    //2.映射共享内存
    void *p = shmat(shmid,NULL,0);
    if (p == (void *)-1)
    {
        perror("shmat failed");
        return -1;
    }
    //3.操作共享内存
    //定义要写到内存中的字符串
    //循环
    char data[30] = "hello, I'm write";
    int i = 0;
    while (1)
    {
        char buf[100] = {0};
        snprintf(buf,100,"%s--%d\n",data,i);
        memcpy(p,buf,strlen(buf));
        printf("no.%d--%s",i,buf);
        if (i >= 30)
        {
            break;
        }
        i++;
        sleep(1);
    }

    //4.解除映射
    int r2 = shmdt(p);
    if (r2 == -1)
    {
        perror("shmdt failed");
        return -1;
    }
    return 0;
}
  1. 从共享内存读取数据
#include "head.h"

int main(int argc, char const *argv[])
{
    key_t key = ftok(PATH_SHM_NAME, PROJ_ID);

    // 1.创建共享内存
    int shmid = shmget(key, getpagesize() * 2, 0777);
    if (shmid == -1)
    {
        perror("shmget failed");
        return -1;
    }
    printf("shmid=%d\n",shmid);

    // 2.映射共享内存
    void *p = shmat(shmid, NULL, 0);
    if (p == (void *)-1)
    {
        perror("shmat failed");
        return -1;
    }
    // 3.操作共享内存
    int i = 0;
    while (1)
    {
        char buf[100] = {0};
        memcpy(buf, p, strlen(p));
        printf("第%d次:%s",i,buf);
        i++;
        if (i >= 60)
        {
            break;
        }
        sleep(1);
        memset(buf,0,sizeof(buf));
    }

    // 4.解除映射
    int r2 = shmdt(p);
    if (r2 == -1)
    {
        perror("shmdt failed");
        return -1;
    }
    return 0;
}
  1. 删除共享内存
#include "head.h"

int main(int argc, char const *argv[])
{
    key_t key = ftok(PATH_SHM_NAME, PROJ_ID);

    // 得到共享内存
    int shmid = shmget(key, getpagesize() * 2, 0777);
    if (shmid == -1)
    {
        perror("shmget failed");
        return -1;
    }
    printf("shmid=%d\n",shmid);
    int r = shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
    return 0;
}
POSIX
shm_open

调用头文件

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

函数原型

int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);

功能（类似于open）

创建并打开一个新的或者打开一个已经存在的POSIX共享内存区域。

参数（类似于open）

  • name：共享内存对象的标识名

  • oflag：与open不一样的是参数中没有O_WRONLY

    • O_RDONLY：只读
    • O_RDWR：读写
    • O_CREAT：如果没有，则创建
    • O_EXCL：与O_CREAT一起使用，如果存在，则报错返回
    • O_TRUNC：截断

  • 文件共享模式：权限，例如0777

返回值

成功返回文件描述符，失败返回**-1**，提供错误码

mmap / munmap

调用头文件

#include <sys/mman.h>

函数原型

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
int munmap(void *addr, size_t length);

功能

映射/解除映射 文件存储空间到进程的虚拟地址空间

参数

  • addr：映射的地址空间首地址（一般填NULL：表示让系统决定）

  • length：地址空间大小

  • prot：映射的地址空间访问方式，必须和文件打开方式匹配

    PROT_EXEC Pages may be executed.

    PROT_READ Pages may be read.

    PROT_WRITE Pages may be written.

    PROT_NONE Pages may not be accessed.

  • flags：映射的地址空间的访问标记

    常用以下两种

    • MAP_SHARED Share this mapping.

    • MAP_PRIVATE Create a private copy-on-write mapping.

  • fd：需映射的文件描述符

  • offset：文件存储空间的偏移量

返回值

成功，munmap返回0，mmap返回映射后的地址；如果错误，则返回MMAP_FAILED，提供错误码（可以使用perror）

shm_unlink

调用头文件

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

函数原型

int shm_unlink(const char *name);

功能

通过共享内存对象名称删除一个共享内存

参数

  • name：共享内存名

返回值

成功返回0，失败返回**-1**，提供错误码。

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