文章详细介绍了Linux中共享内存的概念、使用步骤、函数接口及示例代码，并探讨了使用共享内存可能遇到的数据竞争问题。接着，文章讲解了信号量的原理，作为进程间同步的工具，以及信号量的使用步骤、函数接口和示例代码，展示了如何用信号量解决数据践踏问题。
目录
1、共享内存
共享内存，顾名思义，就是通过不同进程共享一段相同的内存来达到通信的目的，由于SHM对象不再交由内核托管，因此共享内存SHM对象是众多IPC方式最高效的一种方式，但也因为这个原因，SHM一般不能单独使用，而需要配合诸如互斥锁、信号量等协同机制使用。
2、共享内存使用步骤
1)先申请key值 key_t key = ftok(".",10);
2)根据申请到的key值去申请共享内存的ID号。 -> shmget() -> man 2 shmget (share memory get)
3)根据ID号 将共享内存映射至本进程虚拟内存空间的某个区域---映射 -> man 2 shmmat
4)当不再使用时，解除映射关系 -> man 2 shmmdt
5)当没有进程再需要使用这块共享内存时，删除它-> shmctl() -> man 2 shmctl
3、共享内存函数接口
根据申请到的key值去申请共享内存的ID号
shmget() ---> man 2 shmget
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg); //shm --->share memory
参数：key： key值
size： 共享内存的总字节数，必须是PAGE_SIZE的倍数 #define PAGE_SIZE 1024
shmflg：IPC_CREAT -> 不存在则创建
IPC_CREAT|0666
返回值：成功：共享内存ID号
失败：-1
根据ID号 将共享内存映射至本进程虚拟内存空间的某个区域---映射
shmat() ---> man 3 shmat
#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
参数：shmid： 共享内存ID号
shmaddr：NULL -> 系统自动分配地址给你 99.999%
不为NULL -> 用户自己选择地址 0.001%
shmflg：普通属性，填0
返回值：成功：共享内存的起始地址
失败：(void *)-1
通常用法:shmat(shmid,NULL,0)
当不再使用时，解除映射关系
shmdt() ---> man 2 shmdt
int shmdt(const void *shmaddr);
参数：shmaddr ：你需要解除内存映射的地址
返回值：成功：0
失败：-1
当没有进程再需要使用这块共享内存时，删除它
shmctl() ---> man 2 shmctl
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
参数：shmid：共享内存ID号
cmd：操作命令
IPC_STAT --->获取共享内存的属性 --》必须填第三个参数
IPC_RMID --->删除共享内存 --》填 NULL
buf:看cmd
返回值：成功：0
失败：-1
通常用法：
shmctl(id,IPC_RMID,NULL);//删除共享内存
说明：
#include <string.h>
char *strcpy(char *dest, const char *src); //字符串拷贝-->使用于字符串操作
void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n); //内存拷贝-->适用于内存操作4、共享内存示例代码
include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>
#include<string.h>
//共享内存_wr.c
int main()
{
key_t key = ftok(".",10);
int shmid = shmget(key,1024,IPC_CREAT|0666);
if(shmid < 0)
{
printf("shmget fail\n");
return -1;
}
char* shm = shmat(shmid,NULL,0);
if(shm == (void*) - 1)
{
printf("shmad fail\n");
return -1;
}
printf("%d %d\n",key,shmid);
char sendbuf[1024] = "hello world";
memcpy(shm,sendbuf, strlen(sendbuf));
while(1);
shmdt(shm);
shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
return 0;
}
//共享内存_rd.c
int main()
{
key_t key = ftok(".",10);
int shmid = shmget(key,1024,IPC_CREAT|0666);
if(shmid < 0)
{
printf("shmget fail\n");
return -1;
}
printf("%d %d\n",key,shmid);
char* shm = shmat(shmid,NULL,0);
if(shm == (void*) - 1)
{
printf("shmad fail\n");
return -1;
}
printf("%s\n",shm);
while(1);
printf("%s\n",shm);
shmdt(shm);
shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
return 0;
}5、使用共享内存的问题
出现数据践踏，我们写了一次数据进去，那么就无限打印。
我们想要的是，更新一次数据，就打印一次就行。-----（用信号量来解决数据践踏）
6、信号量
信号量SEM全称Semaphore，中文也翻译为信号灯。信号量跟MSG和SHM有极大的不同，SEM不是用来传输数据的，而是作为“旗语”，用来协调各进程或者线程工作的。
信号量本质上是一个数字，用来表征一种资源的数量，当多个进程或者线程争夺这些稀缺资源的时候，信号量用来保证他们合理地、秩序地使用这些资源，而不会陷入逻辑谬误之中。
在Unix/Linux系统中常用的信号量有三种：
- IPC信号量组
- POSIX具名信号量
- POSIX匿名信号量
实际上在其内部实现中，IPC信号量组是一个数组，里面包含N个信号量元素，每个元素相当于一个POSIX信号量。这种机制可以一次性在其内部设置多个信号量。
- 临界资源（critical resources）
- 多个进程或线程有可能同时访问的资源（变量、链表、文件等等）
- 临界区（critical zone）
- 访问这些资源的代码称为临界代码，这些代码区域称为临界区
- P操作
- 程序进入临界区之前必须要对资源进行申请，这个动作被称为P操作，这就像你要把车开进停车场之前，先要向保安申请一张停车卡一样，P操作就是申请资源，如果申请成功，资源数将会减少。如果申请失败，要不在门口等，要不走人。
- V操作
- 程序离开临界区之后必须要释放相应的资源，这个动作被称为V操作，这就像你把车开出停车场之后，要将停车卡归还给保安一样，V操作就是释放资源，释放资源就是让资源数增加。
信号量组非常类似于停车场的卡牌，想象一个有N个车位的停车场，每个车位是立体的可升降的，能停n辆车，那么我们可以用一个拥有N个信号量元素，每个信号量元素的初始值等于n的信号量来代表这个停车场的车位资源——某位车主要把他的m辆车开进停车场，如果需要1个车位，那么必须对代表这个车位的信号量元素申请资源，如果n大于等于m，则申请成功，否则不能把车开进去。
7、信号量使用步骤
1）先申请共享内存的key值和id值，映射
2）由于信号量属于IPC对象，所以要申请key值 key = ftok(".",10);
3）根据key值申请信号量ID号。 -> semget() -> man 2 semget
4）控制/设置信号量值参数。 -> semctl() -> man 2 semctl
5）如何实现信号量的P/V操作？ （P操作： 1->0 V操作： 0->1）
8、信号量函数接口
根据key值申请信号量ID号
semget() -> man 2 semget
#include <sys/types
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semget(key_t key, int nsems, int semflg);
参数：key：信号量的key值
nsems: 信号量元素的个数。例如： 空间+数据 -> 2
semflg: IPC_CREAT|0666 -> 不存在则创建
返回值：成功： 信号量ID
失败： -1
控制/设置信号量值参数
semctl() -> man 2 semctl
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semctl(int semid, int semnum, int cmd, ...);
参数：semid：信号量ID
semnum：需要操作的成员的下标 空间:0 数据:1
cmd: SETVAL -> 用于设置信号量的起始值
IPC_RMID -> 删除信号量的ID
...: 空间/数据的起始值
例如： 想设置空间的起始值为1，数据的起始值为0
semctl(semid,0,SETVAL,1);//设置空间的起始值为1 (有车位)
semctl(semid,1,SETVAL,0);//数据的起始值为0 (没车)
返回值：成功：0
失败：-1
实现信号量的P/V操作
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
int semop(int semid, struct sembuf *sops, size_t nsops);
函数参数：semid: 信号量ID号
sops：进行P/V操作结构体
nsops: 信号量操作结构体的个数 -> 1
struct sembuf
{
unsigned short sem_num; //需要操作的成员的下标 空间:0 数据:1
short sem_op; //P操作/V操作 P： -1 V: 1
short sem_flg; //普通属性，填0.
}
返回值：成功：0
失败：-19、信号量示例代码如下
#include<stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/sem.h>
//信号量_rd.c
int main()
{
//1、获取key值
key_t key = ftok(".",10);
//2、根据key值 获取共享内存的ID号
int shmid = shmget(key,1024,IPC_CREAT|0666);
//3、根据ID号 将共享内存映射至本进程虚拟内存空间的某个区域
char*shm_p = shmat(shmid,NULL,0);
if(shm_p == (void*)-1)
{
perror("shmat error");
return -1;
}
//4、获取信号量的key值
key_t key1 = ftok(".",20);
//5、根据key值申请信号量ID号
int semid = semget(key1,2,IPC_CREAT|0666);
//6、初始化信号量起始值 有空间没数据
semctl(semid,0,SETVAL,1);//设置空间的起始值为1
semctl(semid,1,SETVAL,0);//设置数据的起始值为0
//空间结构体(只是初始化，没有操作)
struct sembuf space;
space.sem_num = 0;
space.sem_op = 1; //V操作 这个变量决定是p还是V
space.sem_flg = 0;
//数据结构体
struct sembuf data;
data.sem_num = 1;
data.sem_op = -1;//P操作
data.sem_flg = 0;
//此时映射出来的shm_p 就是两个进程的共享内存
while(1)
{
//空间：0 数据：1
//把车开出来之前，请问数据能不能-1?
semop(semid, &data, 1);
//能 -> 里面有车 -> 函数返回
//不能 -> 里面没车 -> 函数阻塞
//从车库里面把车开出来
//从共享内存中读取数据
printf("recv:%s\n",shm_p);
//sleep(1);
//把车开出来之后，空间+1
semop(semid, &space, 1);
//空间：1 数据：0
//退出条件，这里要注意 应该使用strncmp 指定字节数
if(strncmp(shm_p,"exit",4) == 0)
break;
}
return 0;
}
//信号量_wr.c
int main()
{
//1、获取key值
key_t key = ftok(".",10);
//2、根据key值 获取共享内存的ID号
int shmid = shmget(key,1024,IPC_CREAT|0666);
//3、根据ID号 将共享内存映射至本进程虚拟内存空间的某个区域
char*shm_p = shmat(shmid,NULL,0);
if(shm_p == (void*)-1)
{
perror("shmat error");
return -1;
}
//4、获取信号量的key值
key_t key1 = ftok(".",20);
//5、根据key值申请信号量ID号
int semid = semget(key1,2,IPC_CREAT|0666);
//6、初始化信号量起始值--->有空间没数据
//semctl第二个参数0--表示空间 1--表示数据
semctl(semid,0,SETVAL,1);//设置空间的起始值为1 //有空间
semctl(semid,1,SETVAL,0);//设置数据的起始值为0 //无数据
//空间结构体(这里只是初始化，没有操作)
struct sembuf space;
space.sem_num = 0;//空间 (说明：通过struct sembuf里面的sem_num变量来区分结构体到底是空间还是数据)
space.sem_op = -1;//P操作
space.sem_flg = 0;//普通属性
//数据结构体(这里只是初始化，没有操作)
struct sembuf data;
data.sem_num = 1;//数据
data.sem_op = 1;//V操作
data.sem_flg = 0;//普通属性
//此时映射出来的shm_p 就是两个进程的共享内存
while(1)
{
//初始化空间：1 数据：0
//开车进去之前，空间 -1 --P操作
semop(semid, &space, 1);//请问空间能不能P操作？semop第三个参数1描述的是结构体的个数
//能 -> 有车位 -> 函数返回
//不能 -> 没车位 -> 函数阻塞
//开车进去
//从键盘上获取数据，存储到共享内存shm_p
scanf("%s",shm_p);
//开车进去之后，数据+1 --V操作
semop(semid, &data, 1); //数据自动+1 这句话操作的是数据
//退出条件，这里要注意 应该使用strncmp 指定字节数
if(strncmp(shm_p,"exit",4) == 0)
break;
}
//4、当不再使用时，解除映射关系
shmdt(shm_p);
//5、当没有进程再需要使用这块共享内存时，删除它
shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
semctl(semid,0,IPC_RMID);
return 0;
}10、信号量总结
进程1发送端
1）共享内存的初始化
先申请共享内存的key值，根据key值获取共享内存的id号，进行共享内存的映射
2）信号量的初始化
先申请信号量的key值，根据key值获取信号量的id号，初始化信号量，空间为1，数据为0
初始化空间的结构体，初始化数据的结构体
//semctl第二个参数0--表示空间 1--表示数据
semctl(semid,0,SETVAL,1);//设置空间的起始值为1 //有空间
semctl(semid,1,SETVAL,0);//设置数据的起始值为0 //无数据
//空间结构体(这里只是初始化，没有操作)
struct sembuf space;
space.sem_num = 0;//空间 (说明：通过struct sembuf里面的sem_num变量来区分结构体到底是空间还是数据)
space.sem_op = -1;//P操作
space.sem_flg = 0;//普通属性
//数据结构体(这里只是初始化，没有操作)
struct sembuf data;
data.sem_num = 1;//数据
data.sem_op = 1;//V操作
data.sem_flg = 0;//普通属性
无论读写，空间的sem_num为0，数据的sem_num为1
3）写数据 对空间进行p操作，往共享内存写入数据，对数据进行v操作
semop(semid, &space, 1)
semop(semid, &data, 1);
semop()函数的第三个参数为结构体的数量 --> 1
无论 读写 空间数据 结构体，都先执行P操作再执行V操作
4）删除共享内存
解除共享内存的映射，删除共享内存
5）删除信号量
删除信号量
进程1接收端
1）共享内存的初始化
先申请共享内存的key值，根据key值获取共享内存的id号，进行共享内存的映射
2）信号量的初始化
先申请信号量的key值，根据key值获取信号量的id号，初始化信号量，空间为1，数据为0
初始化空间的结构体，初始化数据的结构体
//初始化信号量起始值 有空间没数据
semctl(semid,0,SETVAL,1);//设置空间的起始值为1
semctl(semid,1,SETVAL,0);//设置数据的起始值为0
//空间结构体(只是初始化，没有操作)
struct sembuf space;
space.sem_num = 0;
space.sem_op = 1; //V操作 这个变量决定是p还是V
space.sem_flg = 0;
//数据结构体
struct sembuf data;
data.sem_num = 1;
data.sem_op = -1;//P操作
data.sem_flg = 0;
无论读写，空间的sem_num为0，数据的sem_num为1
3）读数据
对数据进行p操作，在共享内存读取数据，对空间进行v操作
semop(semid, &space, 1)
semop(semid, &data, 1);
semop()函数的第三个参数为结构体的数量 --> 1
无论 读写 空间数据 结构体，都先执行P操作再执行V操作
4）删除共享内存
解除共享内存的映射，删除共享内存
5）删除信号量
删除信号量
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