前言

總結一下最近對於共享記憶體的學習, 可能比較淺顯或者有疏漏, 歡迎指正!

原理初探

我們知道, 程序空間相互隔離, 互相對立, 但是共享記憶體允許多個程序可以訪問同一塊記憶體來達到程序間通訊的目的.

共享記憶體是最高效的 IPC 機制, 它不涉及任何程序間的資料傳輸, 而且他和程序同處於使用者空間, 不像訊息佇列, 訊號量是核心空間的系統物件, 不需要花費額外的資料拷貝, 但是同時他並沒有預防競態條件, 也就是說在多程序利用共享記憶體進行通訊的情況下, 我們需要自己去利用鎖等操作來進行同步

共享記憶體的建立過程

當我們建立了一塊共享記憶體, 其實是在 tmpfs 中建立了一個檔案 (這個檔案是儲存於記憶體的), 也就意味著在 tmpfs 中建立了一個 iNode

然後我們需要將這個建立好的檔案對映到程序中 (如下圖, 此圖來自網路, 應該是哪個部落格或者知乎吧…已經記不清了)

我們建立的這塊共享記憶體不會隨著程序的結束而被釋放, 他會在關機前一直存在於記憶體中, 除非被程序明確的刪除

也可以使用 `ipcrm + 共享記憶體 id ` 命令刪除

比如這裡我在剛開始練習的時候沒有刪除建立的共享記憶體

系列 API 的使用

ftok

#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
key_t ftok ( const char* fname, int fd);

成功返回一個key_t值, 失敗返回-1
 

fname 引數是一個必須存在且能訪問到的目錄
id 子序號, 自己約定, 只有8個位元位被指用

注意, 當檔案路徑和子序號都相同時返回的並不一定永遠返回一樣的key值, 如果該路徑指向的檔案或者目錄被刪除而又重新建立, 就算名字還是一樣, 但是檔案系統會賦予它不同的 iNode 資訊, 所以返回的 key 值就不同了

shmget

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

用來建立一塊共享記憶體並返回其 id 
或者獲得一塊已經被建立的共享記憶體的 id

成功返回一個正整數值, 這個整數是共享記憶體的識別符號, 失敗時返回 -1

key_t key 引數用來唯一標識一段全域性共享記憶體, 通常通過 ftok 函式獲得,
size_t size 引數是建立的共享記憶體的大小, 單位為位元組, 如果是要建立一塊共享記憶體, 此引數必須被指定, 如果是要獲取一塊建立好的共享記憶體的 id, 可以將其設定為 0
int shmglag 引數為 0 為獲取共享記憶體 id, 為 IPC_CREAT 時是建立一個新的共享記憶體, 通常要同時指定許可權 (和許可權進行 | 運算)
同時還能取IPC_EXCL , 只有在共享記憶體不存在的時候，新的共享記憶體才建立，否則就產生錯誤。

使用 shmget 建立的共享記憶體段會全部被初始化為 0, 同時和他關聯的核心資料結構 shmid_ds 將被建立和初始化

struct shmid_ds { 
    struct ipc_perm    shm_perm;      /* 操作許可權 */ 
    size_t             shm_segsz;     /* 大小,單位是位元組 */ 
    __kernel_time_t    shm_atime;     /* 對這段記憶體最後一次呼叫shmat的時間 */ 
    __kernel_time_t    shm_dtime;     /* 最後一次呼叫shmdt的時間*/ 
    __kernel_time_t    shm_ctime;     /* 最後一次呼叫shmctl的時間*/ 
    __kernel_ipc_pid_t shm_cpid;      /* 建立者的pid*/ 
    __kernel_ipc_pid_t shm_lpid;      /* 最後一次執行shmat或shmdt的程序的pid*/ 
    unsigned short     shm_nattch;    /*目前關聯到次共享記憶體的程序的數量*/ 
    unsigned short     shm_unused;    /* 以下為填充 */ 
    void               *shm_unused2; /* ditto - used by DIPC */ 
    void               *shm_unused3; /* unused */ 
};

shmat

前面我們也說道, 我們建立共享記憶體其實是建立了一個檔案, 然後要把它對映到當前程序, 即, 我們在使用 shmget 建立了一塊共享記憶體之後, 要使用 shmat 將他關聯到當前程序, 同樣的使用完不再需要之後, 也需要使用 shmdt 將其分離, 讓我們先看 shmat

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

成功返回對映到程序的地址空間 失敗返回 (void *)-1並將錯誤儲存於 errno

shm_id 引數是 shmget 返回的共享記憶體 id,
shm_addr 引數是指定共享記憶體在程序記憶體地址的對映位置, 推薦使用 NULL, 由核心自己決定
shmflag一般為0

shmat 呼叫成功後, 會修改 shmid_ds 的部分欄位:
將 shm_nattach 加一
將 shm_lpid 設定為呼叫程序 pid
將 shm_atime 設定為當前時間

shmdt

在共享記憶體使用完之後使用此函式將其從程序地址空間分離

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

成功返回 0, 失敗返回 -1

shm_addr 引數是共享記憶體在程序的對映地址, 即 shmat 返回的值

呼叫 shmdt 並不會刪除共享記憶體
呼叫成功時修改核心資料結構 shmid_ds 部分欄位:
將 shm_nattach 減一
將 shm_lpid 設定為呼叫程序的pid
將 shm_dtime 設定為當前時間

shmctl

管理共享記憶體

#include 
int shmctl ( int shm_id, int command, struct shmid_ds* buf );

失敗返回-1, 並存儲錯誤於 errno, 成功時的返回值取決於 command

shm_id 是共享記憶體識別符號
command 指定要執行的命令

常用命令為 IPC_RMID, 即, 刪除共享記憶體

如果共享記憶體已經與所有訪問它的程序斷開了連線，則呼叫IPC_RMID子命令後，系統將立即刪除共享記憶體的識別符號，並刪除該共享記憶體區，以及所有相關的資料結構；

如果仍有別的程序與該共享記憶體保持連線，則呼叫IPC_RMID子命令後，該共享記憶體並不會被立即從系統中刪除，而是被設定為IPC_PRIVATE狀態，並被標記為"已被刪除"；直到已有連線全部斷開，該共享記憶體才會最終從系統中消失。

共享記憶體例項

通過共享記憶體進行同機間的程序間通訊

建立一個長度為10的 Stu 陣列, 向其中寫入資料, 另一個程序讀取
程式碼很簡單, 就不做註釋了

/*
write.cpp
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

typedef struct Stu 
{
    int age;
    char name[10];
} Stu;

int main() 
{
 
    int id = shmget((key_t)1234, sizeof(Stu) * 10, IPC_CREAT | 0644);
    if (id == -1) 
    {
        perror("shmget "), exit(1);
    }
    
    Stu* t = (Stu *)shmat(id, NULL, 0);
    for (int i = 0; i < 5; i++) 		//初始化前五個
    {
        (t + i)->age = i;
        strcpy((t + i)->name, "lvbai");
    }

    shmdt(t);
 
    return 0;
}

/*
read.cpp
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

typedef struct Stu 
{
    int age;
    char name[10];
} Stu;

int main() 
{
    int id = shmget((key_t)1234, 0, IPC_CREAT);
    if (id == -1) 
    {
        perror("shmget "), exit(1);
    }

    void* p = NULL;
    p = shmat(id, NULL, 0);
    if (p == (void *)-1) 
    {
        perror("****** : ");
    }


    Stu* ptr = (Stu *)p;

	printf("here is message : \n");

    for (int i = 0; i < 10; i++) 
    {
        printf("age = %d, name = %s\n", (ptr + i)->age, (ptr + i)->name);
    }

    shmdt(p);

    shmctl(id, IPC_RMID, 0);
   
   
    
    return 0;
}