Linux进程通信之共享内存(Shared Memory)的使用和编程

1.共享内存的基本概念

共享内存是最快的进程间通信方式，它允许两个或多个进程共享一块内存区域。这些进程可以直接读写这块共享内存区域，就像访问自己的内存一样。

2.共享内存函数说明

ftok()函数：key_t ftok(const char *pathname, int proj_id)

• 功能：用于生成一个唯一的键（key），这个键通常用于后续创建或获取共享内存段、消息队列或信号量等进程间通信（IPC）机制的标识符。
• 参数：

        pathname：是一个已经存在的文件的路径名，通常使用当前目录（如"./"）。
        proj_id：是一个字符（被转换为int类型），通常是一个 ASCII 码值，用于生成键的另一部分。这个字符可以是任意的，但不同的组合（pathname和proj_id）应该生成不同的键，以确保在系统中能够唯一标识所需的 IPC 对象。

• 返回值：成功时返回一个key_t类型（通常是int）的键值，可以用于后续的shmget、msgget或semget等函数。

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

• 功能：用于创建一个新的共享内存段或者获取一个已经存在的共享内存段的标识符。
• 参数：

        key：是由ftok函数生成的键值
        size：指定共享内存段的大小，以字节为单位。这个大小应该是系统页面大小的整数倍，因为共享内存的分配是以页面为单位的。
        shmflg：是一个标志位，用于控制共享内存段的创建方式和权限等。常见的标志位包括IPC_CREAT（如果共享内存段不存在，则创建它）和IPC_EXCL（与IPC_CREAT一起使用，用于确保创建的共享内存段是新的，不存在同名的共享内存段，否则返回错误），以及权限位（如0666，用于设置共享内存段的读写权限）。

• 返回值：成功时返回一个非负整数，这个整数是共享内存段的标识符（shmid），用于后续的shmat、shmdt和shmctl等函数对共享内存段进行操作。

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

• 功能：将共享内存段连接（attach）到进程的地址空间，使得进程可以像访问普通内存一样访问共享内存。
• 参数：

        shmid：是通过shmget函数获取的共享内存段的标识符。
        shmaddr：是一个可选参数，用于指定共享内存连接到进程地址空间的位置。通常设置为NULL，表示让系统自动选择一个合适的地址来连接共享内存。
        shmflg：是一个标志位，用于控制共享内存的连接方式。常见的标志位是SHM_RND（与shmaddr参数一起使用，用于对shmaddr进行取整操作）和SHM_RDONLY（以只读方式连接共享内存，否则为可读可写方式）。

• 返回值：成功时返回一个指向共享内存段在进程地址空间中起始地址的指针，可以通过这个指针来访问共享内存中的数据。

shmdt()函数：int shmdt(const void *shmaddr);

• 功能：将已经连接到进程地址空间的共享内存段分离（detach），但并不删除共享内存段本身。这是在进程结束对共享内存的访问后应该执行的操作。
• 参数：

        shmaddr：是通过shmat函数返回的指向共享内存段在进程地址空间中起始地址的指针。

• 返回值：成功时返回0。

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

• 功能：用于对共享内存段进行控制操作，如获取共享内存段的状态信息、设置共享内存段的属性或者删除共享内存段等。
• 参数：

        shmid：是通过shmget函数获取的共享内存段的标识符。
        cmd：是一个控制命令，用于指定要执行的操作。常见的命令包括IPC_STAT（获取共享内存段的状态信息，将信息存储到buf指向的struct shmid_ds结构体中）、IPC_SET（设置共享内存段的属性，根据buf指向的struct shmid_ds结构体中的信息来设置）和IPC_RMID（标记共享内存段为删除状态，真正的删除操作会在最后一个使用该共享内存段的进程分离它之后进行）。
        buf：是一个指向struct shmid_ds结构体的指针，用于存储共享内存段的状态信息或者设置共享内存段的属性。如果cmd是IPC_RMID，则buf可以设置为NULL。

• 返回值：成功时根据cmd的不同返回不同的值，如IPC_STAT和IPC_SET操作成功时返回0。

3.共享内存编程示例

假设有writer和reader两个进程。

1.writer.c（写入共享内存的进程）

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

#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    // 生成一个唯一的键值
    key_t key = ftok(".", 'a');
    if (key == -1) {
        perror("ftok");
        return 1;
    }

    // 创建共享内存段
    int shmid = shmget(key, BUFFER_SIZE, IPC_CREAT | 0666);
    if (shmid == -1) {
        perror("shmget");
        return 1;
    }

    // 将共享内存段连接到进程的地址空间
    void *shmaddr = shmat(shmid, NULL, 0);
    if (shmaddr == (void *)-1) {
        perror("shmat");
        return 1;
    }

    // 写入数据到共享内存
    char *message = "Hello, Shared Memory!";
    strcpy((char *)shmaddr, message);

    // 分离共享内存段与进程地址空间
    if (shmdt(shmaddr) == -1) {
        perror("shmdt");
        return 1;
    }

    // 这里可以选择不立即删除共享内存段，以便其他进程继续使用
    // 如果要删除共享内存段，可以使用下面的代码：
    // if (shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1) {
    //     perror("shmctl");
    //     return 1;
    // }

    return 0;
}

2.reader.c（从共享内存读取数据的进程）

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

#define BUFFER_SIZE 1024

int main() {
    // 使用与写入进程相同的键值
    key_t key = ftok(".", 'a');
    if (key == -1) {
        perror("ftok");
        return 1;
    }

    // 获取共享内存段的标识符
    int shmid = shmget(key, BUFFER_SIZE, 0);
    if (shmid == -1) {
        perror("shmget");
        return 1;
    }

    // 将共享内存段连接到进程的地址空间
    void *shmaddr = shmat(shmid, NULL, 0);
    if (shmaddr == (void *)-1) {
        perror("shmat");
        return 1;
    }

    // 从共享内存读取数据并打印
    printf("Data read from shared memory: %s\n", (char *)shmaddr);

    // 分离共享内存段与进程地址空间
    if (shmdt(shmaddr) == -1) {
        perror("shmdt");
        return 1;
    }

    // 删除共享内存段（这里可以根据需求决定是否删除）
    if (shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1) {
        perror("shmctl");
        return 1;
    }

    return 0;
}

这是一个简单的基于共享内存的进程间通信示例。需要注意的是，在实际应用中，可能需要根据具体情况处理同步和互斥问题，以确保数据的正确性和完整性。可以使用信号量（Semaphore）来处理同步和互斥。