进程间通讯之共享内存

进程间通讯之共享内存

一、引言：

管道、信号、信号量虽然满足了进程之间通讯的需要，但是还有一种没有满足，那就是进程之间需要共享大量的数据。就像一家人一样，他们彼此之间每天都在交流，但是对于家里面的一些共有物品，如电视，餐厅等等都是共享的，而我们所说的进程之间也是一样的，他们虽然互相独立存在，但是还有很多数据都是共享使用的，而进程之间的数据共享就是共享内存。

二、共享内存理论及其分析：

共享内存就是两个进程共同拥有同一片内存区域。这片区域中的内容，二者都可以访问。要使用共享内存进行通讯，一个进程首先创建一片内存空间专门作为通信使用，而其他的进程则将这片内存空间映射到自己的(虚拟)地址空间。这样就通过读写自己地址空间中对应的的共享内存区域时，就是在和其他的进程进行通信了。

通过这里的了解，是不是感觉共享内存和我们前面博客讲的管道很像呢，管道也是在一片内存区域上作为进程间通信的媒介，但是这里的共享内存和管道是不一样的，首先，使用共享内存时两个进程必须在同一台物理机器上，其次，共享内存的访问方式是随机的，而不是只能从一端写，另一端写，因此这也是共享内存的一大优点，所以共享内存传递的信息也比较多，随之而来大量信息的传递也使得传递时比较复杂。

如图所示，共享内存的图解：

那么共享内存与管道，信号量，信号等等通信有啥区别呢？
共享内存是最快的一种IPC通信方式，在各个进程都有指针指向开辟出来的内存区域，访问的时候当做进程中的一个内存控制直接操作，也就是说对于一个内存而言，共享内存就是进程的一部分，直接通过指针操作这片区域，少了内核的陷入过程；进程直接通过指针操作共享内存区域，少了用户态和内核态之间数据的拷贝。

区别图解：

但是共享内存也有它的缺点：由于共享内存是进程中通信最快的的，且信息量较大，也造成了它的管理复杂，且两个进程必须在同一台物理机器上才能进行通讯，另外一个缺点就是，安全性低，当两个进程共享一片内存区域进行通讯时，如果一个进程感染了病毒，很容易会传给（感染）另外一个进程。就像一家人一样，一个人感冒了，有些东西是公用的，到时候用的时候会很容易感染给别人，这是同样的道理。
再就是需要注意的是：使用全局变量在同一个进程的线程间实现通信不叫共享内存，它们是使用进程中的资源，线程只是进程内部的一个执行序列，后期将会进行分析说明。

共享内存使用时，是一个临界资源，所以进程之间使用必须做同步控制，而这里能更好的达到同步控制需要利用我们前面所说的信号量。

三、共享内存的使用函数：

头文件sys/types.h和sys/ipc.h被shm.h自动包含进程序。

shmget函数：
创建共享内存，获得一个共享内存标识符；
int shmget(key_t key,  size_t size,  int shmflg);
第一个参数是程序提供的一个键值，为共享内存命名，shmget函数返回一个共享内存标识符，后面的其他函数会使用。
第二个参数：size以字节为单位指定需要共享的内存容量。
第三个参数：如果共享内存存在则获取，不存在，使用IPC_CREAT创建，创建可以给设置权限标志 Onnn，这样允许创建共享内存的进程写入数据，设置其他的用户创建的进程只能以读取该共享内存。
返回值：创建成功，返回一个非负整数，即共享内存标识符，失败，则返回-1.

shmat函数：
将共享内存的段连接到进程的地址空间中。
void *shmat(int shm_id,  const *shm_addr,  int shmflg);
第一个参数shm_id是shmget函数的返回的共享内存标识符。
第二个参数shm_addr是：共享内存将要连接到当前进程中的地址位置，它通常是一个NULL，表示让系统来选择共享内存出现的地址。
第三个参数shmflg：是一组位标志，取值为：SHM_RND与shm_addr联合使用用来控制共享内存区域连续的地址        和SHM_RDONLY(它使得连续的内存只读)。
返回值：如果shmat调用成功，返回一个指向共享内存第一个字节的指针，如果失败，则返回-1.

shmdt函数：
断开连接;此函数只会断开连接，而不会删除共享内存。
int shmdt(void *addr);
addr参数是以前调用shmat函数的时的返回值，如果成功，shmdt将相关shmid_ds结构中的shm_nattch计数器值减1.

返回值：成功返回0，失败返回-1.

shmctl函数：
删除内核对象；
int shmctl(int shm_id,  int command,  struct shmid_ds *buf);
shmid_ds结构：
struct shmid_ds
{
uid_t  shm_perm.uid;
uid_t  shm_perm.gid;
mode_t  shm_perm.mode;
}
第一个参数shm_id是shmget返回的共享内存标识符
第二个参数command是要采取的动作，取以下三个值：
IPC_STAT:把shmid_ds结构中的数据设置为共享内存的当前关联值
IPC_SET ：如果进程有足够权限，把共享内存的当前关联值设置为shmid_ds结构中的值；
IPC_RMID：删除共享内存段；
第三个参数buf是一个指针，它指向包含共享内存模式和访问权限的结构。
返回值：成功时返回0；失败时返回-1；

基于intel的Linux系统上的存储区布局：

四、共享内存的测试题：

题目：A进程接收用户输入，B进程统计字符个数，遇到end结束！
代码如下：

信号量sem.c中信号量初始值为1；data.val = 1;，其他信号量封装函数见博客目录中的《进程通讯之信号量》

void sem_get()
{
	//获取信号量集
	semid = semget((key_t)1234,1,0666);
	if (semid == -1)
	{
		//完成创建信号量集
		semid = semget((key_t)1234, 1, 0666 | IPC_CREAT);
		assert(semid != -1);
		if (semid == -1)
		{
			printf("error\n");
			exit(0);
		}
		//完成初始化
		union sembuff data;
		data.val = 1;
		semctl(semid,0,SETVAL,data);

	}
}

文件：shma.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <sys/shm.h>
#include "sem.h"

void main()
{
 	int shmid = shmget((key_t)1234,128,IPC_CREAT | 0666);
	assert(shmid != -1);
	char *ptr = shmat(shmid,NULL,0);
	assert(ptr != NULL);
	sem_get();
	while(1)
	{
		sem_p();
		printf("please input: ");
		fflush(stdout);
		fgets(ptr,128,stdin);
		if (strncmp(ptr,"end",3) == 0)
		{
			break;
		}
		ptr[strlen(ptr)-1] = 0;
		sem_v();
		
	}
 }

文件：shmb.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <sys/shm.h>
#include "sem.h"

void main()
{
	int shmid = shmget((key_t)1234,128,IPC_CREAT | 0666);
	assert(shmid != -1);
	char *ptr = shmat(shmid,NULL,0);
	assert(ptr != NULL);
	sem_get();
	while(1)
	{
		sem_p();
		if (strncmp(ptr,"end",3) == 0)
		{
			break;
		}
		sleep(5);
		printf("size : %d\n",strlen(ptr));
		sem_v();
	}
}

Linux终端下编译命令：
shma.c文件：gcc -o  shma   shma.c  sem.c
shmb.c文件：gcc -o  shmb   shmb.c  sem.c

结果：

A进程用户：

B进程计算：

测试目的：为了更好的使用共享内存进行进程间的通讯，以及对于进程间使用共享内存熟练使用，得到加强，并且融入信号量，进程对共享内存访问时，是同步控制的。