UNIX网络编程： IPC之共享内存

共享内存：是系统创建的特殊地址空间，允许不相干的多个进程使用该空间，即多个进程能够使用同一块内存的数据；

优点： 共享内存不需要复制数据，直接读写内存，效率非常高；
缺点： 但是它本身不提供同步访问机制，我们可以通过信号量来进行控制其同步访问机制；

共享内存的操作函数如下：
shmget

int shmget(key_t key,int shmsz,int shmflg)
该函数创建或访问一个共享内存区；
key值是ftok的返回值或是IPC_PRIVATE
shmsz 是创建内存区的大小，以字节为单位，要是创建新的内存区该值必须大于0，要是访问已经存在的内存区，该值为0；
shmflg 是标记，若是创建新的共享内存区，则其值是IPC_CREAT, IPC_EXCL和读写权限的按位或的结果， 若是访问已存在的共享内存区，将该值赋为0即可；
该函数调用成功返回内存区的ID，失败返回-1.

shmat

　　void *shmat(int shmid,const void *shmaddr, int shmflg);
该函数的作用是将内存区附接到调用进程的地址空间，成功返回内存区的起始地址，失败返回-1；
shmid是共享内存区的标示符；
若shmaddr为空指针，则表示让系统替调用者选择地址（推荐使用该方式），若shmaddr不为空指针，那么返回地址取决于调用者是否给shmflg指定了SHM_RND值；若没有指定SHM_RND,那么相应的共享内存区附接到shmaddr指定的地址；若指定SHM_RND，那么相应的共享内存区附接到shmaddr指定的地址向下舍入一个SHMLBA常值，LBA是指“低端边界地址”；
shmflg参数同shmget;

shmdt

int shmdt (const void *shmaddr)
该函数的作用是断接内存区， 但是不删除共享内存区；
该函数成功返回0，失败返回-1；
shmaddr是共享内存区的起始地址；

shmctl

int shmctl(int shmid, int cmd,struct shmid_ds *buf)
对共享内存的操作函数；
shmid共享内存区标示符；
cmd 是对共享内存区所作的操作：其可选参数如下：
IPC_RMID：从系统中删除由shmid所指定的共享内存区并拆除共享内存区，（拆除值的是释放或i或回收与共享内存区对应的数据结构，及放在其上的数据）；
IPC_SET： 给所指定的共享内存区设置shmid_ds结构的相应成员；
IPC_STAT：通过（buf）向调用者返回指定的共享内存区的当前的shmid_ds结构；

以下是一个测试这几个函数的单个服务器和单个客户的程序：
服务器端的代码

#include "utility.h"

int main(int ac, char **av)
{
    key_t shm_key = ftok(av[1], 0xFF);
    if(shm_key == -1){
        printf("shm ftok error.\n");
        exit(1);
    }
    printf("shm ftok ok.\n");

    int shm_id = shmget(shm_key, 1024, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);  //创建或打开一个共享内存
    if(shm_id == -1){
        printf("shmget error.\n");
        exit(1);
    }
    printf("shmget ok.shm_id = 0x%x\n", shm_id);

    char *addr = (char *)shmat(shm_id, NULL, 0);   //连接被共享内存ID分割的共享内存段和调用进程
    if(addr == (void *)-1){   //shmat失败返回（void*）-1
        printf("shmat error.\n");
        shmctl(shm_id, IPC_RMID, NULL);   //shmat失败，删除共享内存
        exit(1);
    }

    key_t sem_key = ftok(av[1], 0xFE);   //用信号量来为共享内存提供同步机制，共享内存虽然是IPC机制中最快的，但是其不提供同步机制
    if(sem_key == -1){
        printf("sem ftok error.\n");
        shmctl(shm_id, IPC_RMID, NULL);   //得到信号量键值失败，删除共享内存
        exit(1);
    }

    int sem_id = semget(sem_key, 2, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);  //创建信号量
    if(sem_id == -1){
        printf("semget error.\n");
        shmctl(shm_id, IPC_RMID, NULL);  //创建信号量失败，删除共享内存
        exit(1);
    }

    union semun init;   //信号量共用体
    init.val = 0;
    semctl(sem_id, 0, SETVAL, init);   //信号量设置初始值
    semctl(sem_id, 1, SETVAL, init);

    struct sembuf p = {0, -1, 0};   //对信号的PV操作（p是减一，v是加一）
    struct sembuf v = {1, 1, 0};

    while(1){
        printf("Ser:>");
        scanf("%s", addr);
        if((strncmp(addr, "quit", 4)) == 0){
            shmdt(addr);    //退出之前先断开与共享内存的连接
            shmctl(shm_id, IPC_RMID, NULL);  //删除共享内存
            semctl(sem_id, 1, IPC_RMID);     //删除下标为1的信号量
            semctl(sem_id, 0, IPC_RMID);     //删除下标为0的信号量
            break;
        }
        semop(sem_id, &v, 1);   //使得下标为0的信号量不阻塞

        semop(sem_id, &p, 1);    //阻塞下标为0的信号量
        printf("Cli:>%s\n", addr);
    }

    return 0;
}

客户端的代码：

#include "utility.h"

int main(int ac, char **av)
{
    key_t shm_key = ftok(av[1], 0xFF);
    if(shm_key == -1){
        printf("shm ftok error.\n");
        exit(1);
    }
    printf("shm ftok ok.\n");
    int shm_id = shmget(shm_key, 0, 0);
    if(shm_id == -1){
        printf("shmget error.\n");
        exit(1);
    }
    printf("shmget ok. shm_id = 0x%x\n", shm_id);

    char *addr = (char *)shmat(shm_id, NULL, 0);
    if(addr == (void *)-1){
        printf("shmat error.\n");
        exit(1);
    }

    key_t sem_key = ftok(av[1], 0xFE);
    if(sem_key == -1){
        printf("sem ftok error.\n");
        exit(1);
    }
    printf("sem ftok ok.\n");
    int sem_id = semget(sem_key, 0, 0);
    if(sem_id == -1){
        printf("semget error.\n");
        exit(1);
    }
    printf("semget ok.\n");

    struct sembuf p = {1, -1, 0};
    struct sembuf v = {0, 1, 0};

    while(1){
        semop(sem_id, &p, 1);   //阻塞下标为1 的信号量
        printf("Ser:>%s\n", addr);

        printf("Cli:>");
        scanf("%s", addr);
        if((strcmp(addr, "quit")) == 0){
            semop(sem_id, &v, 1);  //客户端在断开连接之前先将消息发送给服务器端
            shmdt(addr);          //之后客户端断开与共享内存之间的连接
            break;
        }
        semop(sem_id, &v, 1);  //使得下标为0 的信号量不阻塞
    }

    return 0;
}

utility.h头文件：

#pragma once

#include <iostream>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

using namespace std;

union semun
{
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *array;
    struct seminfo *__buf;
    void *__pad;
};

makefile文件：

all:ser cli

ser:ser.cpp
    g++ ser.cpp -o ser

cli:cli.cpp
    g++ cli.cpp -o cli

.PHONY:clean

clean:
    rm ser cli