linux 下共享内存shm详解

共享内存是系统出于多个进程之间通讯的考虑，而预留的的一块内存区。在/proc/sys/kernel/目录下，记录着共享内存的一些限制，如一个共享内存区的最大字节数shmmax，系统范围内最大共享内存区标识符数shmmni等，可以手工对其调整，但不推荐这样做。

一、应用

共享内存的使用，主要有以下几个API：ftok()、shmget()、shmat()、shmdt()及shmctl()。

1)用ftok()函数获得一个ID号.

应用说明:
在IPC中，我们经常用用key_t的值来创建或者打开信号量，共享内存和消息队列。

函数原型:
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

Keys：
1）pathname一定要在系统中存在并且进程能够访问的
3）proj_id是一个1－255之间的一个整数值，典型的值是一个ASCII值。
当成功执行的时候，一个key_t值将会被返回，否则－1被返回。我们可以使用strerror(errno)来确定具体的错误信息。

考虑到应用系统可能在不同的主机上应用，可以直接定义一个key，而不用ftok获得：
#define IPCKEY 0x344378

2)shmget()用来开辟/指向一块共享内存的函数

应用说明:
shmget（）用来获得共享内存区域的ID，如果不存在指定的共享区域就创建相应的区域。

函数原型:
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

key_t key 是这块共享内存的标识符。如果是父子关系的进程间通信的话，这个标识符用IPC_PRIVATE来代替。如果两个进程没有任何关系，所以就用ftok()算出来一个标识符（或者自己定义一个）使用了。

int size 是这块内存的大小．
int flag 是这块内存的模式(mode)以及权限标识。
模式可取如下值：        
IPC_CREAT 新建（如果已创建则返回目前共享内存的id）
IPC_EXCL   与IPC_CREAT结合使用，如果已创建则则返回错误
然后将“模式” 和“权限标识”进行“或”运算，做为第三个参数。
如：    IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0640   
例子中的0666为权限标识,4/2/1 分别表示读/写/执行3种权限，第一个0是UID,第一个6（4+2）表示拥有者的权限，第二个4表示同组权限，第3个0表示他人的权限。
这个函数成功时返回共享内存的ID，失败时返回-1。

关于这个函数，要多说两句。
创建共享内存时，shmflg参数至少需要 IPC_CREAT | 权限标识，如果只有IPC_CREAT 则申请的地址都是k=0xffffffff，不能使用；
获取已创建的共享内存时，shmflg不要用IPC_CREAT（只能用创建共享内存时的权限标识，如0640），否则在某些情况下，比如用ipcrm删除共享内存后，用该函数并用IPC_CREAT参数获取一次共享内存（当然，获取失败），则即使再次创建共享内存也不能成功，此时必须更改key来重建共享内存。

3) shmat()将这个内存区映射到本进程的虚拟地址空间。

函数原型:
void    *shmat( int shmid , char *shmaddr , int shmflag );

shmat()是用来允许本进程访问一块共享内存的函数。
int shmid是那块共享内存的ID。
char *shmaddr是共享内存的起始地址，如果shmaddr为0，内核会把共享内存映像到调用进程的地址空间中选定位置；如果shmaddr不为0，内核会把共享内存映像到shmaddr指定的位置。所以一般把shmaddr设为0。
int shmflag是本进程对该内存的操作模式。如果是SHM_RDONLY的话，就是只读模式。其它的是读写模式
成功时，这个函数返回共享内存的起始地址。失败时返回-1。

4) shmdt()函数删除本进程对这块内存的使用，shmdt()与shmat()相反，是用来禁止本进程访问一块共享内存的函数。

函数原型:
int shmdt( char *shmaddr );
参数char *shmaddr是那块共享内存的起始地址。
成功时返回0。失败时返回-1。

5) shmctl() 控制对这块共享内存的使用

函数原型：
int     shmctl( int shmid , int cmd , struct shmid_ds *buf );
int shmid是共享内存的ID。
int cmd是控制命令，可取值如下：
        IPC_STAT        得到共享内存的状态
        IPC_SET         改变共享内存的状态
        IPC_RMID        删除共享内存
struct shmid_ds *buf是一个结构体指针。IPC_STAT的时候，取得的状态放在这个结构体中。如果要改变共享内存的状态，用这个结构体指定。
返回值：        成功：0

                失败：-1

shmget函数原型

shmget(得到一个共享内存标识符或创建一个共享内存对象)
所需头文件	#include #include
函数说明	得到一个共享内存标识符或创建一个共享内存对象并返回共享内存标识符
函数原型	int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg)
函数传入值	key	0(IPC_PRIVATE)：会建立新共享内存对象
		大于0的32位整数：视参数shmflg来确定操作。通常要求此值来源于ftok返回的IPC键值
	size	大于0的整数：新建的共享内存大小，以字节为单位
		0：只获取共享内存时指定为0
	shmflg	0：取共享内存标识符，若不存在则函数会报错
		IPC_CREAT：当shmflg&IPC_CREAT为真时，如果内核中不存在键值与key相等的共享内存，则新建一个共享内存；如果存在这样的共享内存，返回此共享内存的标识符
		IPC_CREAT|IPC_EXCL：如果内核中不存在键值 与key相等的共享内存，则新建一个共享内存；如果存在这样的共享内存则报错
函数返回值	成功：返回共享内存的标识符
	出错：-1，错误原因存于error中
附加说明	上述shmflg参数为模式标志参数，使用时需要与IPC对象存取权限（如0600）进行|运算来确定信号量集的存取权限
错误代码	EINVAL：参数size小于SHMMIN或大于SHMMAX EEXIST：预建立key所指的共享内存，但已经存在 EIDRM：参数key所指的共享内存已经删除 ENOSPC：超过了系统允许建立的共享内存的最大值(SHMALL) ENOENT：参数key所指的共享内存不存在，而参数shmflg未设IPC_CREAT位 EACCES：没有权限 ENOMEM：核心内存不足

在Linux环境中，对开始申请的共享内存空间进行了初始化，初始值为0x00。

如果用shmget创建了一个新的消息队列对象时，则shmid_ds结构成员变量的值设置如下：

shm_lpid、shm_nattach、shm_atime、shm_dtime设置为0。

msg_ctime设置为当前时间。

shm_segsz设成创建共享内存的大小。

shmflg的读写权限放在shm_perm.mode中。

shm_perm结构的uid和cuid成员被设置成当前进程的有效用户ID，gid和cuid成员被设置成当前进程的有效组ID。

其他共享内存函数

shmat

shmat(把共享内存区对象映射到调用进程的地址空间)
所需头文件	#include #include
函数说明	连接共享内存标识符为shmid的共享内存，连接成功后把共享内存区对象映射到调用进程的地址空间，随后可像本地空间一样访问
函数原型	void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg)
函数传入值	shmid	共享内存标识符
	shmaddr	指定共享内存出现在进程内存地址的什么位置，直接指定为NULL让内核自己决定一个合适的地址位置
	shmflg	SHM_RDONLY：为只读模式，其他为读写模式
函数返回值	成功：附加好的共享内存地址
	出错：-1，错误原因存于error中
附加说明	fork后子进程继承已连接的共享内存地址。exec后该子进程与已连接的共享内存地址自动脱离(detach)。进程结束后，已连接的共享内存地址会自动脱离(detach)
错误代码	EACCES：无权限以指定方式连接共享内存 EINVAL：无效的参数shmid或shmaddr ENOMEM：核心内存不足

shmdt函数原型

shmdt(断开共享内存连接)
所需头文件	#include #include
函数说明	与shmat函数相反，是用来断开与共享内存附加点的地址，禁止本进程访问此片共享内存
函数原型	int shmdt(const void *shmaddr)
函数传入值	shmaddr：连接的共享内存的起始地址
函数返回值	成功：0
	出错：-1，错误原因存于error中
附加说明	本函数调用并不删除所指定的共享内存区，而只是将先前用shmat函数连接（attach）好的共享内存脱离（detach）目前的进程
错误代码	EINVAL：无效的参数shmaddr

shmctl函数原型

shmctl(共享内存管理)
所需头文件	#include #include
函数说明	完成对共享内存的控制
函数原型	int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf)
函数传入值	shmid	共享内存标识符
	cmd	IPC_STAT：得到共享内存的状态，把共享内存的shmid_ds结构复制到buf中
		IPC_SET：改变共享内存的状态，把buf所指的shmid_ds结构中的uid、gid、mode复制到共享内存的shmid_ds结构内
		IPC_RMID：删除这片共享内存
	buf	共享内存管理结构体。具体说明参见共享内存内核结构定义部分
函数返回值	成功：0
	出错：-1，错误原因存于error中
错误代码	EACCESS：参数cmd为IPC_STAT，确无权限读取该共享内存 EFAULT：参数buf指向无效的内存地址 EIDRM：标识符为shmid的共享内存已被删除 EINVAL：无效的参数cmd或shmid EPERM：参数cmd为IPC_SET或IPC_RMID，却无足够的权限执行

2共享内存应用范例编辑

1、父子进程通信范例 父子进程通信范例，shm.c源代码如下：

#include

#include

#include

#include

#include

#include

#define SIZE 1024

int main()

{

int shmid ;

char *shmaddr ;

struct shmid_ds buf ;

int flag = 0 ;

int pid ;

shmid = shmget(IPC_PRIVATE, SIZE, IPC_CREAT|0600 ) ;

if ( shmid < 0 )

{

perror("get shm ipc_id error") ;

return -1 ;

}

pid = fork() ;

if ( pid == 0 )

{

shmaddr = (char *)shmat( shmid, NULL, 0 ) ;

if ( (int)shmaddr == -1 )

{

perror("shmat addr error") ;

return -1 ;

}

strcpy( shmaddr, "Hi, I am child process!\n") ;

shmdt( shmaddr ) ;

return 0;

} else if ( pid > 0) {

sleep(3 ) ;

flag = shmctl( shmid, IPC_STAT, &buf) ;

if ( flag == -1 )

{

perror("shmctl shm error") ;

return -1 ;

}

printf("shm_segsz =%d bytes\n", buf.shm_segsz ) ;

printf("parent pid=%d, shm_cpid = %d \n", getpid(), buf.shm_cpid ) ;

printf("chlid pid=%d, shm_lpid = %d \n",pid , buf.shm_lpid ) ;

shmaddr = (char *) shmat(shmid, NULL, 0 ) ;

if ( (int)shmaddr == -1 )

{

perror("shmat addr error") ;

return -1 ;

}

printf("%s", shmaddr) ;

shmdt( shmaddr ) ;

shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) ;

}else{

perror("fork error") ;

shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) ;

}

return 0 ;

}

编译 gcc shm.c –o shm。

执行 ./shm，执行结果如下：

shm_segsz =1024 bytes

shm_cpid = 9503

shm_lpid = 9504

Hi, I am child process!

2、多进程读写范例

多进程读写即一个进程写共享内存，一个或多个进程读共享内存。下面的例子实现的是一个进程写共享内存，一个进程读共享内存。

（1）下面程序实现了创建共享内存，并写入消息。

shmwrite.c源代码如下：

#include

#include

#include

#include

#include

#include

typedef struct{

char name[8];

int age;

} people;

int main(int argc, char** argv)

{

int shm_id,i;

key_t key;

char temp[8];

people *p_map;

char pathname[30] ;

strcpy(pathname,"/tmp") ;

key = ftok(pathname,0x03);

if(key==-1)

{

perror("ftok error");

return -1;

}

printf("key=%d\n",key) ;

shm_id=shmget(key,4096,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0600);

if(shm_id==-1)

{

perror("shmget error");

return -1;

}

printf("shm_id=%d\n", shm_id) ;

p_map=(people*)shmat(shm_id,NULL,0);

memset(temp, 0x00, sizeof(temp)) ;

strcpy(temp,"test") ;

temp[4]='0';

for(i = 0;i<3;i++)

{

temp[4]+=1;

strncpy((p_map+i)->name,temp,5);

(p_map+i)->age=0+i;

}

shmdt(p_map) ;

return 0 ;

}

（2）下面程序实现从共享内存读消息。

shmread.c源代码如下：

#include

#include

#include

#include

#include

#include

typedef struct{

char name[8];

int age;

} people;

int main(int argc, char** argv)

{

int shm_id,i;

key_t key;

people *p_map;

char pathname[30] ;

strcpy(pathname,"/tmp") ;

key = ftok(pathname,0x03);

if(key == -1)

{

perror("ftok error");

return -1;

}

printf("key=%d\n", key) ;

shm_id = shmget(key,0, 0);

if(shm_id == -1)

{

perror("shmget error");

return -1;

}

printf("shm_id=%d\n", shm_id) ;

p_map = (people*)shmat(shm_id,NULL,0);

for(i = 0;i<3;i++)

{

printf( "name:%s\n",(*(p_map+i)).name );

printf( "age %d\n",(*(p_map+i)).age );

}

if(shmdt(p_map) == -1)

{

perror("detach error");

return -1;

}

return 0 ;

}

（3）编译与执行

① 编译gcc shmwrite.c -o shmwrite。

② 执行./shmwrite，执行结果如下：

key=50453281

shm_id=688137

③ 编译gcc shmread.c -o shmread。

④ 执行./shmread，执行结果如下：

key=50453281

shm_id=688137

name:test1

age 0

name:test2

age 1

name:test3

age 2

⑤ 再执行./shmwrite，执行结果如下：

key=50453281

shmget error: File exists

⑥ 使用ipcrm -m 688137删除此共享内存。