【从浅学到熟知Linux】进程间通信之共享内存（含共享内存挂接原理、ftok/shmget/shmat/shmdt/shmctl详解、共享内存实现Client&Server）

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共享内存引入及原理

在前面的文章中，我们介绍了匿名管道和命名管道，下面通过对比这两种通信方式，以引出共享内存通信方式。↓↓↓

匿名管道方式
其中匿名管道由操作系统在内核帮助用户维护一份匿名管道文件，在若子进程与父进程通信时，子进程将数据写入printf缓冲区，再调用系统调用将printf缓冲区内容拷贝到内核中的匿名管道文件；而父进程读取数据时，不能直接读取内核维护的匿名管道文件，需要将匿名管道文件拷贝到父进程中的临时缓冲区。因而，匿名管道在每次通信时，都会发生两次拷贝。同时，匿名管道通信时，进程读取或写入数据时，需要进行用户态到内核态的相互转换，而这种转换会产生额外开销。

命名管道通信方式
为了避免访问公享资源时需要转换状态（用户/内核态），命名管道方式应运而生。命名管道通过在内存创建一个具备单向通信的信道文件，当A、B进程通信时可以直接对内存中的FIFO文件进行操作，不需要用户/内核态转换；整个通信过程中，FIFO文件不会与磁盘进行任何交互（落盘），故命名管道比普通文件快。但A、B进程无法直接将数据写入该文件或直接从该文件进行读取，故写入进程需要维护一个写入缓冲区，写入完毕后，再将缓冲区的内容拷贝到FIFO文件中；读取进程需要维护一个读取缓冲区，将FIFO文件中的内容拷贝到缓冲区，再进行读取，需要两次拷贝。

共享内存的提出
可不可以实现通信的两个进程A、B，A进程直接向内存中写入，另一个进程直接从该内存中读取，避免上述的两次拷贝呢？

共享内存方式，就是让两个通信进程直接访问同一块内存空间，直接对该空间执行读取或写入，避免了拷贝。共享的建立过程是：①在内存中申请一块空间；②将该内存挂接（映射）到通信进程的进程地址空间的共享区。

当A进程需要与B进程通信时，只需要通过共享区虚拟地址映射到物理地址，对该物理地址直接进行写入；而B进程则是通过象取虚拟地址映射到物理地址，从该物理地址直接进行读取。这样就可以避免2次拷贝。

那共享内存的提供者是谁呢？由于内存属于系统硬件资源，故共享内存的提供者必然是操作系统。由于通信的进程可能很多，申请的共享内存也可能很多，故操作系统需要对各个共享内存先描述再组织。即操作系统需要创建对应的内核数据结构，对系统中的共享内存的各个属性进行描述，再通过管理这些内核数据结构，实现对共享内存的管理。由此，我们可以得出结论：共享内存=共享内存块+对应的共享内存的内核数据结构。

 //共享内存对应的内核数据结构
 struct shmid_ds {
   
    struct ipc_perm shm_perm;    /* Ownership and permissions */
    size_t          shm_segsz;   /* Size of segment (bytes) */
    time_t          shm_atime;   /* Last attach time */
    time_t          shm_dtime;   /* Last detach time */
    time_t          shm_ctime;   /* Last change time */
    pid_t           shm_cpid;    /* PID of creator */
    pid_t           shm_lpid;    /* PID of last shmat(2)/shmdt(2) */
    shmatt_t        shm_nattch;  /* No. of current attaches */
    ...
};

★ps：共享内存也存在用户态与内核态的转换，但一旦对应内存映射到进程的地址空间，则进程间通信就不会涉及到用户态与内核态的转换。换句话说，进程后序不再通过执行内核的系统调用来转递彼此的数据。

★ps：共享内存是进程间通信最快的方式，一方面用它通信时，拷贝没有缓冲区拷贝问题；另一方面，共享内存通信时，仅涉及开始时的一次系统调用（即一次用户态和内核态的转换）。

共享内存相关函数及使用实例

获取唯一key值——ftok

在命名管道中，通过文件路径的唯一性，以保证多个通信进程能够看到同一个共享资源。在共享内存也需要保证多个通信进程看到同一份共享资源，即使用key来保证资源的唯一性。key需要使用ftok函数自动生成↓↓↓

第一个参数pathname是值文件路径，第二个参数是项目id（用户自己指定，没有明确要求）。返回计算得到的key值，但如果传入的路径不存在，则会生成失败，返回-1。

如果多个进程需要通信，只需要传入同一个文件目录及项目id就能确定唯一的key值，即能够找到同一份共享内存资源。

★ps：谈谈key：
1.key是一个数字，这个数字是多少并不重要，关键是它必须在内核中具有唯一性，就能让不同的进程进行唯一性标识；
2.第一个进程可以通过key创建共享内存，第二个及以后的进程只要拿着同一个key值，就可以和第一个进程看到同一个共享内存；
3.对于一个已经创建好的共享内存，key在哪呢？答案是：key在共享内存的内核数据结构中（共享内存的描述对象）；
4.为了保证多个进程能够看到同一个共享内存，需要约定唯一的pathname和项目id，避免找到不是同一个共享内存；
5.key和路径一样，具有唯一性。

下面给出ftok创建key值的实例代码↓↓↓

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

int main()
{
   
	key_t key1 = ftok("/home/xiaoming", 5);
	key_t key2 = ftok("/home/xiaoming", 5);
	key_t key3 = ftok("/home/xiaoming/gitcode", 5);
	key_t key4 = ftok("/home/xiaoming/", 666);
	printf("key1 = %u\n", key1);
	printf("key2 = %u\n", key2);
	printf("key3 = %u\n", key3);
	printf("key4 = %u\n", key4);
	return 0;
}

创建共享内存——shmget

创建共享内存第一个参数key用于保证共享内存的唯一性，第二个参数标识共享内存的大小（单位：字节），下面表格给出了第三个参数的说明↓↓↓

shmflg取值	描述