共享内存 Shared Memory

本文深入解析Linux下共享内存(Shared Memory)的原理与操作,包括内核如何开辟内存供多个进程映射,以及通过shmget、shmat、shmdt等API实现进程间高速数据交换的全过程。

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转发自cdeveloprLinux 高级编程 - 共享内存 Shared Memory
IPC(进程间通信) 方式:共享内存 Shared Memory的基本原理是:内核开辟一片内存区域,然后多个用户进程可以将这片区域映射到它们自己的地址空间中进行读写。
这种方式速度很快,因为数据不需要在进程之间复制,只要一个进程写入数据,另一个进程就能马上读取数据了,但是读取和写入必须同步

1、共享内存 Shared Memory

1.1、共享内存属性

我们可以在终端中使用ipcs -m查看系统当前开辟的共享内存:

ipcs -m

------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status 
0x00000000 104529920  orange     600        2097152    2          dest
0x00000000 688129     orange     600        524288     2          dest
0x00000000 113672194  orange     600        524288     2          dest
...

可以看到列出了共享内存的一些属性:地址,id,拥有者等等。

1.2、共享内存在哪里?

进程可以将共享内存映射到自己的地址空间中,如下:
进程地址空间
可以看到中间有一个内存映射区域,进程把内核的共享内存映射到这个地方,模型如下:
在这里插入图片描述
进程可以通过共享内存的 API 获得内核所管理的共享内存的一份映射,例如直接同步读写自己的映射文件就可以实现进程 A 和 B 之间的通信了,非常简单。

2、共享内存的操作

共享内存使用起来比较简单,但是需要注意必须保持不同进程的读写同步,可以使用信号量或者互斥锁等,但是本篇文章主要介绍共享内存,不会涉及同步相关的操作,下面的例子主要介绍共享内存相关的 API 操作,当你熟悉了基本的用法,在以后学习同步时可以加上同步机制来保证读写正确。

共享内存(SHM)的操作主要分为下面 4 个步骤:

  1. 创建或获取 SHM
  2. 映射 SHM 到进程地址空间
  3. 操作映射后的区域,即读写
  4. 关闭进程地址空间的映射区域

分别来了解这些操作的 API。

2.1、创建:shmget

创建 SHM 调用 shmget

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

/*
 * key:SHM 标识
 * size:SHM 大小
 * shmflg:创建或得到的属性,例如 IPC_CREAT
 * return:成功返回 shmid,失败返回 -1,并设置 erron
 */
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
2.2、 映射:shmat

shmat将由 shmget 返回的 shmid 标识的 SHM 映射到进程的地址空间:

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

/*
 1. shmid:SHM ID
 2. shmaddr:SHM 内存地址
 3. shmflg:SHM 权限
 4. return:成功返回 SHM 的地址,失败返回 (void *) -1,并设置 erron
 */
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

其中 shmaddr 参数主要有 2 种情况:

  1. shmaddr = NULL:系统选择一块合适的内存地址作为映射的起始地址
  2. shmaddr != NULL:用户自己地址,但是该地址需要符合一定的条件,详情参考 man shmat.

即:
注册成功,返回ID映射成功,返回地址

2.3、 关闭映射:shmdt

shmdt解除当前进程映射的 SHM:

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

/*
 * shmaddr:已经映射的 SHM 地址
 * return:成功返回 0,失败返回 -1,并设置 erron
 */
int shmdt(const void *shmaddr);

3、例子:write_shm.c,read_shm.c

3.1、write_shm.c

我们先创建一个片 SHM,然后写入内容:

#include <sys/ipc.h> //注册
#include <sys/shm.h> 
#include <sys/types.h> //映射、关闭
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    // 1. 创建 SHM
    int shm_id = shmget(13, 2048, IPC_CREAT | 0666);//注册成功,返回ID
    if (shm_id != -1) {
        // 2. 映射 SHM
        void* shm = shmat(shm_id, NULL, 0);//映射成功,返回地址
        if (shm != (void*)-1) {
            // 3. 写 SHM
            char str[] = "I'm share memory";
            memcpy(shm, str, strlen(str) + 1);
            // 4. 关闭 SHM
            shmdt(shm);
        } else {
            perror("shmat:");
        }
    } else {
        perror("shmget:");
    }
    return 0;
}

3.2、read_shm.c

我们再写一个程序来映射 SHM 并读取其中的内容:

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() { 
    // 1. 获取 SHM
    int shm_id = shmget(13, 2048, IPC_CREAT | 0666);
    
    if (shm_id != -1) {
        // 2. 映射 SHM
        void* shm = shmat(shm_id, NULL, 0);
        if (shm != (void*)-1) {
            // 3. 读取 SHM
            char str[50] = { 0 };
            memcpy(str, shm, strlen("I'm share memory"));
            printf("shm = %s\n", (char *)shm); 
            // 4. 关闭 SHM
            shmdt(shm);
        } else {
            perror("shmat:");
        }
    } else {
        perror("shmget:");
    }
    if (0 == shmctl(shm_id, IPC_RMID, NULL))
        printf("delete shm success.\n");
    return 0;
}
3.3、编译、执行
编译
gcc write_shm.c -o write_shm
gcc read_shm.c -o read_shm
执行
./write_shm
./read_shm
hello world!

成功读取了写进程的写入的数据,虽然不是同步的,但是至少能够获取数据。

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