【网络编程】多进程编程--共享内存

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一、shmget系统调用
二、shmat和shmdt系统调用
三、shmctl调用
四、共享内存的POSIX方法

共享内存是最高效的IPC机制，因为它不涉及进程之间的任何数据传输，但是我们也必须用其他辅助手段来同步进程对共享内存的访问以避免竞态条件的产生。因此，共享内存通常和其他进程间通信方式一起使用。

一、shmget系统调用

shmget系统调用创建一段新的共享内存，或者获得一段已经存在的共享内存。其定义如下：

#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

key参数是一个键值，用来表示一段全局唯一的共享内存。
size参数指定共享内存的大小，单位为字节，如果是创建新的共享内存，则size的值必须指定，如果是获取已经存在的共享内存，可以把size设置为0。
shmflg支持两种额外的标志：
- SHM_HUGETLB，类似于mmap的MAP_HUGETLB标志，系统将使用大页面来为共享内存分配空间。
- SHM_NORESERVE，类似于mmap的MAP_NORESERVE标志，不为共享内存保留交换分区（swap空间），这样，当物理内存不足时，对该共享内存执行写操作将触发SIGSEGV信号。

shmget成功将返回一个正整数，表示共享内存的标识符，失败返回-1，并设置errno。
使用shmget创建共享内存，则与之关联的结构体shmid_ds将会被初始化，其定义如下：

struct shmid_ds{
	struct ipc_perm shm_perm; /*共享内存的操作权限*/
	size_t shm_segsz;         /*共享内存大小，单位是字节*/
	__time_t shm_atime;       /*对这段内存最后一次调用shmat的时间*/
	__time_t shm_dtime;       /*对这段内存最后一次调用shmdt的时间*/
	__time_t shm_ctime;       /*对这段内存最后一次调用shmctl的时间*/
	__pid_t shm_cpid;         /*创建者的PID*/
	__pid_t shm_lpid;         /*最后一次执行shmat或shmdt操作的进程的PID*/
	shmatt_t shm_nattach;     /*目前关联到此共享内存的进程数量*/
};

初始化包括：

将shm_perm.cuid和shm_perm.uid设置为调用进程的有效用户ID；
将shm_perm.cgid和shm_perm.gid设置为调用进程的有效组ID；
将shm_perm.mode的最低9位设置为shmflg参数的最低9位；
将shm_segsz设置为size;
将shm_lpid、shm_nattach、shm_atime、shm_dtime设置为0；
将shm_ctime设置为当前系统时间。

二、shmat和shmdt系统调用

共享内存被创建/获取后，我们不能立即访问它，需要先将它关联到进程的地址空间中，这里使用shmat函数，使用完共享内存后，我们需要将它从进程地址空间中分离，这里使用shmdt函数。具体如下：

#include <sys/shm.h>
void* shmat(int shm_id, const void* shm_addr, int shmflg);
int shmdt(const void* shm_addr);

shm_id是由shmget调用返回的共享内存标识符，shm_addr参数指定将共享内存关联到进程的哪块地址，但其最终效果收受到shmflg的影响：

如果shm_addr为NULL，则由操作系统选择被关联的地址。
如果shm_addr非空，且SHM_RND标志未设置，共享内存关联到addr指定的地址处。
如果shm_addr非空，且设置了SHM_RND标志，则被关联的地址是[shm_addr-(shm_addr % SHMLBA)]，SHMLBA的含义是段低端边界地址倍数，它必须是内存页面大小的整数倍，SHM_RND的含义是圆整，即将共享内存被关联的地址向下圆整到离sem_addr最近的SHMLBA的整数倍地址处。

shamt成功时返回共享内存被关联到的地址，失败返回（void*)-1并设置errno，shmat成功时，将修改内核数据结构shmid_ds的部分字段如下：

将shm_nattach加1；
将shm_lpid设置为调用进程的PID；
将shm_atime设置为当前时间

shmdt函数将关联到shm_addr处的共享内存从进程中分离。成功时返回0，失败时返回-1并设置errno。shmdt成功调用时将修改内核数据结构shmid_ds的部分字段如下：

将shm_nattach减1；
将shm_lpid设置为调用进程的PID；
将shm_dtime设置为当前的时间。

三、shmctl调用

shmctl系统调用控制共享内存的某些属性。

#include <sys/shm.h>
int shmctl(int shm_id, int command, struct

shm_id是由shmget调用返回的共享内存标识符
command按参数指定要执行的命令，具体在P253。

shmctl成功时的返回值取决于command参数，失败返回-1并设置errno

四、共享内存的POSIX方法

mmap函数可以利用它的MAP_ANONYMOUS标志实现父子进程之间的匿名共享内存。通过打开一个文件，mmap也可以实现无关进程之间的内存共享。Linux提供了一种无须任何文件支持的利用mmap在无关进程之间共享内存的方式，但它需要使用以下函数来创建或打开一个POSIX共享内存对象。

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int shm_open(const char* name, int oflag, mode_t mode);

name指定了要创建\打开的共享内存对象，长度不超过255；
oflag指定创建方式：
- O_RDONLY，只读方式打开共享内存对象。
- O_RDWR，可读可写方式打开共享内存对象。
- O_CREAT，共享内存对象不存在的话，创建它，此时mode参数的最低9位将指定该共享内存对象的权限。
- O_EXCL，和O_CREAT一起使用，如果文件已经存在则调用返回错误，否则创建一个新的共享内存对象。
- O_TRUNC，如果共享内存对象以及存在，则把他截断，使其长度为0。

shm_open调用成功返回一个文件描述符，失败返回-1并设置errno。
删除由shm_open创建的共享内存文件则要用以下函数：

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int shm_unlink(const char* name);

该函数将name参数指定的共享内存对象标记为等待删除。当所有使用该共享内存对象的进程都使用ummap将它从进程中分离了之后，系统将销毁这个共享内存对象所占据的资源。
注：如果代码中使用了上述的POSIX共享内存函数，则编译的时候需要指定连接选项-lrt。

《Linux高性能服务器编程》学习笔记