• 前言
• 6. 共享記憶體
  • 6.1 概念
  • 6.2 操作函式
    • 6.2.1 shmget()
    • 6.2.2 shmat()
    • 6.2.3 shmdt()
    • 6.2.4 shmctl()
• 6.3 例子
• 參考：

前言

• 知識點
  • 訊息佇列、訊號量 和 共享記憶體 被統稱為 system-V IPC
    • 以上都是“持續性”資源，即它們被建立之後， 不會因為程序的退出而消失

6. 共享記憶體

6.1 概念

• 共享記憶體
  • 共享記憶體是程序間通訊中最簡單的方式之一
  • 是效率最高的一種IPC通訊機制
  • 它允許多個不相關的程序訪問同一個邏輯記憶體
  • 注意：
    • 共享記憶體需要使用者自己維護，如同步、互斥等工作
    • 共享記憶體屬於 臨界資源
      ，在某一時刻只能一個程序對其操作
    • 所以，共享記憶體一般配合訊號量、互斥鎖等協調機制使用
• 共享記憶體優點
  • 通訊方便
  • 介面簡單
  • 高效率
  • 任意程序都可對共享記憶體進行讀寫
• 共享記憶體缺點
  • 沒有提個同步、互斥等機制，需要使用者自己維護

6.2 操作函式

• 使用 shmget 函式建立或獲取一個共享記憶體物件
• 使用 shmat 函式對映到程序的虛擬地址
• 使用 shmdt 函式解除對映，解除對映後，該解除不能再訪問該共享記憶體
• 使用 shmctl 函式獲取或設定共享記憶體的相關屬性

6.2.1 shmget()

• 使用 shmget() 建立或獲取一個訊號量
• 通過命令 man 瞭解更多
• 所需要的標頭檔案：

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

• 函式原型：int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
  • key：標識共享記憶體的鍵值
    • 0 或 IPC_PRIVATE：建立一個新的共享記憶體
    • 大於 0 的 32 位整數：視引數 shmflg 來確定操作
  • size：
    • 新建的共享記憶體大小，以位元組為單位，但是會以 頁 來取整
  • shmflg：
    • 0：取共享記憶體識別符號，若不存在則函式會報錯
    • IPC_CREAT：如果核心中不存在該共享記憶體，則建立一個新的共享記憶體；如果存在，則呼叫
    • IPC_CREAT|IPC_EXCL：如果核心中不存在該共享記憶體，則建立一個新的共享記憶體；如果存在，則報錯
  • 返回：
    • 成功：返回該共享記憶體的識別符號
    • 失敗：返回 -1，錯誤原因記錄在變數 error 中：
      • EINVAL：引數size小於 SHMMIN 或大於 SHMMAX
      • EEXIST：預建立key所指的共享記憶體，但已經存在
      • EIDRM：引數key所指的共享記憶體已經刪除
      • ENOSPC：超過了系統允許建立的共享記憶體的最大值(SHMALL)
      • ENOENT：引數key所指的共享記憶體不存在，而引數shmflg未設IPC_CREAT位
      • EACCES：沒有許可權
      • ENOMEM：核心記憶體不足

6.2.2 shmat()

• 使用 shmat() 函式對映到程序的虛擬地址
• 通過命令 man 瞭解更多
• 所需要的標頭檔案：

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

• 函式原型：void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
  • shmid：共享記憶體標識
  • shmaddr：
    • 不為 NULL：系統會根據 shmaddr 來選擇一個合適的記憶體區域
    • 為 NULL：系統會自動選擇一個合適的虛擬記憶體空間地址去對映共享記憶體
  • shmflg：操作共享記憶體的方式
    • SHM_RDONLY：以只讀方式對映共享記憶體（其它為讀寫模式）
    • SHM_REMAP：重新對映，此時的 shmaddr 不能為 NULL
    • NULLSHM：自動選擇比 shmaddr 小的最大也對齊地址
  • 返回：
    • 成功：返回共享記憶體的起始地址
    • 失敗：返回 -1，錯誤原因記錄在變數 error 中：
      • EACCES：無許可權以指定方式連線共享記憶體
      • EINVAL：無效的引數shmid或shmaddr
      • ENOMEM：核心記憶體不足
• 注意：
  • 共享記憶體只能以 只讀和讀寫方式對映，不能以只寫方式對映
  • shmat()第二個引數 shmaddr
    • 一般都設為 NULL ，讓系統自動找尋合適的地址。
    • 如果不為 NULL ，
      • 那麼要求 SHM_RND 在 shmflg 必須被設定，系統便會將選擇比 shmaddr 小而又最大的頁對齊地址（即為SHMLBA的整數倍）作為共享記憶體區域的起始地址。（相當於自動對齊）
      • 如果沒有設定 SHM_RND，那麼 shmaddr 必須是嚴格的頁對齊地址。（手動對齊）

6.2.3 shmdt()

• 使用 shmdt 函式解除對映，解除對映後，該解除不能再訪問該共享記憶體
• 通過命令 man 瞭解更多
• 所需要的標頭檔案：

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

• 函式原型：int shmdt(const void *shmaddr);
  • shmaddr：對映的共享記憶體的起始地址
  • 返回：
    • 成功：返回 0
    • 失敗：返回 -1，錯誤原因記錄在變數 error 中：
      • EINVAL：無效的引數shmaddr
• 說明：
  • 本函式呼叫並不刪除所指定的共享記憶體區，而只是將先前用shmat函式連線（attach）好的共享記憶體脫離（detach）目前的程序

6.2.4 shmctl()

• 使用 shmctl 函式獲取或設定共享記憶體的相關屬性
• 通過命令 man 瞭解更多
• 所需要的標頭檔案：

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

• 函式原型：int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
  • shmid：共享記憶體識別符號
  • cmd：控制命令
    • IPC_STAT：獲取屬性資訊，放置到buf中
    • IPC_SET：設定屬性資訊為buf指向的內容
    • IPC_RMID：刪除該共享記憶體
    • IPC_INFO：獲得關於共享記憶體的系統限制值資訊
    • SHM_INFO：獲得系統為共享記憶體消耗的資源資訊
    • SHM_STAT：與IPC_STAT具有相同的功能，但shmid為該SHM在核心中記錄所有SHM資訊的陣列的下標， 因此通過迭代所有的下標可以獲得系統中所有SHM的相關資訊
    • SHM_LOCK：禁止系統將該SHM交換至swap分割槽
    • SHM_UNLOCK：允許系統將該SHM交換至swap分。
  • buf：共享記憶體管理結構體

    struct shmid_ds {
        struct ipc_perm shm_perm;    /* 所有權和許可權 */
        size_t          shm_segsz;   /* 共享記憶體尺寸（位元組） */
        time_t          shm_atime;   /* 最後一次對映時間 */
        time_t          shm_dtime;   /* 最後一個解除對映時間 */
        time_t          shm_ctime;   /* 最後一次狀態修改時間 */
        pid_t           shm_cpid;    /* 建立者PID */
        pid_t           shm_lpid;    /* 後一次對映或解除對映者PID */
        shmatt_t        shm_nattch;  /* 對映該SHM的程序個數 */
        ...};
      
    struct ipc_perm {
        key_t          __key;    /* 該共享記憶體的鍵值key */
        uid_t          uid;      /* 所有者的有效UID */
        gid_t          gid;      /* 所有者的有效GID */
        uid_t          cuid;     /* 建立者的有效UID */
        gid_t          cgid;     /* 建立者的有效GID */
        unsigned short mode;     /* 讀寫許可權 + SHM_DEST + SHM_LOCKED 標記 */
        unsigned short __seq;    /* 序列號 */
    };  
    

  • 返回：
    • 成功：0
    • 失敗：返回 -1，錯誤原因記錄在變數 error 中：
      • EACCESS：引數cmd為IPC_STAT，卻無許可權讀取該共享記憶體
      • EFAULT：引數buf指向無效的記憶體地址
      • EIDRM：識別符號為shmid的共享記憶體已被刪除
      • EINVAL：無效的引數cmd或shmid
      • EPERM：引數cmd為IPC_SET或IPC_RMID，卻無足夠的許可權執行

6.3 例子

• 共享記憶體寫程序

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include "sem.h"

int main()
{
    int running = 1;
    void *shm = NULL; // 共享記憶體首地址（*本程序的虛擬地址*）
    struct shared_use_st *shared = NULL;
    char buffer[BUFSIZ + 1];
    int shmid; //共享記憶體識別符號
    int semid; //訊號量識別符號

    //建立共享記憶體    
    shmid = shmget((key_t)1234, 4096, 0644 | IPC_CREAT);    
    if(shmid == -1)
    {
        fprintf(stderr, "shmget failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    //將共享記憶體連線到當前程序的地址空間    
    shm = shmat(shmid, (void*)0, 0);    
    if(shm == (void*)-1)
    {
        fprintf(stderr, "shmat failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("Memory attached at %p\n", shm);

    /* 開啟訊號量，不存在則建立一個訊號量 */
    semid = semget((key_t)6666, 1, 0666|IPC_CREAT);
    if(semid == -1)
    {
        printf("sem open fail\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    while(running)//向共享記憶體中寫資料
    {
        //向共享記憶體中寫入資料
        printf("Enter some text: ");        
        fgets(buffer, BUFSIZ, stdin); // 阻塞等待標準輸入
        strncpy(shm, buffer, 4096);

        sem_v(semid);/* 釋放訊號量 */

        //輸入了end，退出迴圈（程式）
        if(strncmp(buffer, "end", 3) == 0)
            running = 0;
    }

    //把共享記憶體從當前程序中分離    
    if(shmdt(shm) == -1)    
    {
        fprintf(stderr, "shmdt failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    sleep(2);
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

• 共享記憶體讀程序

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include "sem.h"

int main(void)
{
    int running = 1;//程式執行標誌
    char *shm = NULL;// 共享記憶體首地址（*本程序的虛擬地址*）
    int shmid;// 共享記憶體識別符號
    int semid;// 訊號量識別符號

    //建立共享記憶體    
    shmid = shmget((key_t)1234, 4096, 0666 | IPC_CREAT);    
    if(shmid == -1)
    {
        fprintf(stderr, "shmget failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    //將共享記憶體連線到當前程序的地址空間    
    shm = shmat(shmid, 0, 0);    
    if(shm == (void*)-1)
    {
        fprintf(stderr, "shmat failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("\nMemory attached at %p\n", shm);

    /* 開啟訊號量，不存在則建立一個訊號量 */
    semid = semget((key_t)6666, 1, 0666|IPC_CREAT); /* 建立一個訊號量 */    
    if(semid == -1)
    {
        printf("sem open fail\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    init_sem(semid, 0); // 初始化訊號量的值為 0

    while(running)// 讀取共享記憶體中的資料
    {
        /** 等待訊號量 */
        if(sem_p(semid) == 0)
        {            
            printf("You wrote: %s", shm);            
            sleep(rand() % 3);

            //輸入了end，退出迴圈（程式）
            if(strncmp(shm, "end", 3) == 0)
                running = 0;
        }
    }

    del_sem(semid); /* 刪除訊號量 */

    //把共享記憶體從當前程序中分離
    if(shmdt(shm) == -1)
    {
        fprintf(stderr, "shmdt failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    //刪除共享記憶體
    if(shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1)
    {
        fprintf(stderr, "shmctl(IPC_RMID) failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

參考：

* 野火