Linux系统编程IPC通信之--共享内存讲解

首先在所有的ipc通信中，共享内存是速度最快的一种，因为他是直接与内存进行数据交互.

一.共享内存的使用步骤

    1.调用 shmget()创建一个新共享内存段或取得一个既有共享内存段的标识符(即由其他进程创建的共享内存段)。这个调用将返回后续调用中需要用到的共享内存标识符。

    2.使用 shmat()来附上共享内存段，即使该段成为调用进程的虚拟内存的一部分

    3.此刻在程序中可以像对待其他可用内存那样对待这个共享内存段。为引用这块共享内存程序需要使用由 shmat()调用返回的 addr 值，它是一个指向进程的虚拟地址空间中该共享内存段的起点的指针。

    4.调用 shmdt()来分离共享内存段。在这个调用之后，进程就无法再引用这块共享内存了。这一步是可选的，并且在进程终止时会自动完成这一步调用 

    5.shmct1()来删除共享内存段。只有当当前所有附加内存段的进程都与之分离之后内存段才会销毁。只有一个进程需要执行这一步。

大致：先调用shmget进行获取，然后进行shmat关联进行使用，随后进行shmdt分离，最后都分离完后彩绘shmctl进行删除

二.使用到的函数

 #include <sys/ipc.h>
    #include <sys/shm.h>

    int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg)
    -功能：创建一个新的共享内存或者获取一个既有的共享内存段的标识
            新创建的内存段中的数据都会被初始化为0
    -参数: 
        -ley : key_t 类型是一个整型,可以通过这个找到或者创建一个共享内存
                一般使用16进制表示，非0值
        -size : 共享内存的大小，非0
        -shmflg : 属性
                -访问权限
                -附加属性 : 创建/判断共享内存是否存在
                        -创建 : IPC_CREAT
                        -判断 : IPC_EXCL 需要和IPC_CREAT一起使用,如:IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0664
    -返回值
        -成功:>0 ，返回共享内存的引用id,后面操作共享内存都用这个值
        -失败:-1,并设置错误号
    

    void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
    - 功能：和当前的进程进行关联
    - 参数：
        - shmid : 共享内存的标识（ID）,由shmget返回值获取
        - shmaddr: 申请的共享内存的起始地址，指定NULL，内核指定
        - shmflg : 对共享内存的操作
            - 读 ： SHM_RDONLY, 必须要有读权限
            - 读写： 0
    - 返回值：
        成功：返回共享内存的首（起始）地址。  失败(void *) -1


    int shmdt(const void *shmaddr);
        - 功能：解除当前进程和共享内存的关联
        - 参数：
            shmaddr：共享内存的首地址
        - 返回值：成功 0， 失败 -1

    int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
        - 功能：对共享内存进行操作。删除共享内存，共享内存要删除才会消失，创建共享内存的进行被销毁了对共享内存是没有任何影响。
        - 参数：
            - shmid: 共享内存的ID
            - cmd : 要做的操作
                - IPC_STAT : 获取共享内存的当前的状态
                - IPC_SET : 设置共享内存的状态
                - IPC_RMID: 标记共享内存被销毁
            - buf：需要设置或者获取的共享内存的属性信息
                - IPC_STAT : buf存储数据
                - IPC_SET : buf中需要初始化数据，设置到内核中
                - IPC_RMID : 没有用，NULL

    key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
        - 功能：根据指定的路径名，和int值，生成一个共享内存的key
        - 参数：
            - pathname:指定一个存在的路径
                /home/nowcoder/Linux/a.txt
                / 
            - proj_id: int类型的值，但是这系统调用只会使用其中的1个字节
                    范围 ： 0-255  一般指定一个字符 'a'

三.案例讲解

写端

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

int main()
{
    //1.创建一个共享内存
    int shmid = shmget(100,4096,IPC_CREAT|0664);
    if(shmid == -1)
    {
        perror("shmid");
        exit(-1);
    }
    else
    {
        printf("shmid:%d\n",shmid);
    }
    //2.和当前进程进行关联
    void *ptr = shmat(shmid, NULL, 0);

    //3.写数据
    char *s = "hello world";
    memcpy(ptr,s,strlen(s)+1); //这里strlen(s)+1是把字符串结束符也拷贝过去
    printf("按任意键继续\n");
    getchar();

    //4.解除关联
    shmdt(ptr);

    //5.删除共享内存
    shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);

    return 0;
}

读端

#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    //1.获取一个共享内存
    int shmid = shmget(100,4096,IPC_CREAT); //需要和写的key一样
    if(shmid == -1)
    {
        perror("shmid");
        exit(-1);
    }
    else
    {
        printf("shmid:%d\n",shmid);
    }
    //2.和当前进程进行关联
    void *ptr = shmat(shmid, NULL, SHM_RDONLY);

    //3.读数据
    printf("读取到的数据是:%s\n",(char *)ptr);
    
    printf("请按下任意按键退出\n");
    getchar();
    //4.解除关联
    shmdt(ptr);

    //5.删除共享内存
    shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);

    return 0;
}

四.重点内容：共享内存的注意事项和内存映射mmap的区别

1.操作系统如何知道一块共享内存被多少个进程关联？

共享内存维护了一个结构体struct shmid_ds 这个结构体中有一个成员 shm_nattch
shm_nattach 记录了关联的进程个数

 2.可不可以对共享内存进行多次删除 shmctl

    - 可以的
    - 因为shmctl 标记删除共享内存，不是直接删除
    - 什么时候真正删除呢?
        当和共享内存关联的进程数为0的时候，就真正被删除
    - 当共享内存的key为0的时候，表示共享内存被标记删除了
        如果一个进程和共享内存取消关联，那么这个进程就不能继续操作这个共享内存。也不能进行关联。
 

 3. 共享内存和内存映射的区别

    1.共享内存可以直接创建，内存映射需要磁盘文件（匿名映射除外）

    2.共享内存效果更高

    3.内存
        所有的进程操作的是同一块共享内存。
        内存映射，每个进程在自己的虚拟地址空间中有一个独立的内存。

    4.数据安全
        - 进程突然退出
            共享内存还存在
            内存映射区消失
        - 运行进程的电脑死机，宕机了
            数据存在在共享内存中，没有了
            内存映射区的数据 ，由于磁盘文件中的数据还在，所以内存映射区的数据还存在。

     5.生命周期
        - 内存映射区：进程退出，内存映射区销毁
        - 共享内存：进程退出，共享内存还在，标记删除（所有的关联的进程数为0），或者关机
            如果一个进程退出，会自动和共享内存进行取消关联。