Linux进程通信 | 共享内存

一、共享内存是什么

在Linux系统中，共享内存是一种IPC（进程间通信）方式，它可以让多个进程在物理内存中共享一段内存区域。

这种共享内存区域被映射到多个进程的虚拟地址空间中，使得多个进程可以直接访问同一段物理内存区域中的数据，从而实现进程间的高速数据交换和通信。

二、共享内存的原理

共享内存基于内核的支持。在共享内存中，内核维护了一块物理内存区域，并将其映射到多个进程的虚拟地址空间中。每个进程都可以使用指针来访问共享内存区域中的数据，就像它们访问自己的内存一样。

三、共享内存的使用方法

相关函数介绍

shmget函数

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

用于创建或打开一个共享内存区段，具体参数如下：

参数	类型	说明
key	key_t	共享内存区段的关键字，用于在多个进程间标识同一个共享内存区段。
size	size_t	共享内存区段的大小，以字节为单位。
shmflg	int	共享内存区段的访问权限和行为属性。

函数返回值为共享内存区段的标识符 shmid，用于标识已创建或已打开的共享内存区段。

shmat函数

void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

用于将共享内存区段连接到当前进程的地址空间，具体参数如下：

参数	类型	说明
shmid	int	共享内存区段的标识符，用于标识已创建或已打开的共享内存区段。
shmaddr	const void*	共享内存区段连接到当前进程地址空间的起始地址，如果为 NULL，则由系统自动选择一个地址。
shmflg	int	标志参数，指定共享内存区段的访问权限和行为属性。

函数返回值为共享内存区段连接到当前进程地址空间的起始地址，即指向共享内存区段的指针。

shmdt函数

int shmdt(const void *shmaddr);

用于断开进程与共享内存区段的连接，具体参数如下：

参数	类型	说明
shmaddr	const void*	共享内存区段连接到当前进程地址空间的起始地址。

函数返回值为 0 表示成功，-1 表示失败。

shmctl函数

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

用于控制共享内存区段的行为，如删除、获取、设置共享内存区段的属性等，具体参数如下：

参数	类型	说明
shmid	int	共享内存区段的标识符，用于标识已创建或已打开的共享内存区段。
cmd	int	控制命令，指定对共享内存区段的操作类型。
buf	struct shmid_ds*	指向共享内存区段属性结构体的指针，用于获取或设置共享内存区段的属性。

常用的cmd参数包括：

• IPC_STAT：获取共享内存的状态信息，并将该信息存储在buf参数指向的结构体中。
• IPC_SET：设置共享内存的状态信息，buf参数指向要设置的新值。
• IPC_RMID：删除共享内存。

函数返回值为操作成功返回 0，失败返回 -1。

实例演示

以下是一个示例代码，其中一个程序用于写入共享内存，另一个程序用于读取共享内存。

写入程序

/* write.c */

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define SHM_SIZE 1024

int main()
{
    int shmid;
    char *shmaddr;
    char write_buf[SHM_SIZE];

    // 创建共享内存段
    shmid = shmget((key_t)1234, SHM_SIZE, 0666|IPC_CREAT);
    if (shmid == -1) {
        perror("shmget failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 将共享内存段连接到当前进程
    shmaddr = (char*)shmat(shmid, 0, 0);
    if (shmaddr == (void*)-1) {
        perror("shmat failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 从标准输入读取数据并将其写入共享内存
    while(1) {
        fgets(write_buf, SHM_SIZE, stdin);
        strncpy(shmaddr, write_buf, SHM_SIZE);
        if (strncmp(write_buf, "exit", 4) == 0) {
            break;
        }
    }

    // 断开共享内存连接
    if (shmdt(shmaddr) == -1) {
        perror("shmdt failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 删除共享内存段
    if (shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1) {
        perror("shmctl failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    printf("write exit\n");

    return 0;
}

读取程序

/* read.c */

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define SHM_SIZE 1024

int main()
{
    int shmid;
    char *shmaddr;
    char read_buf[SHM_SIZE];

    // 获取共享内存段
    shmid = shmget((key_t)1234, SHM_SIZE, 0666|IPC_CREAT);
    if (shmid == -1) {
        perror("shmget failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 将共享内存段连接到当前进程
    shmaddr = (char*)shmat(shmid, 0, 0);
    if (shmaddr == (void*)-1) {
        perror("shmat failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 从共享内存读取数据并输出到标准输出
    while(1) {
        strncpy(read_buf, shmaddr, SHM_SIZE);
        printf("Received message: %s\n", read_buf);
        if (strncmp(read_buf, "exit", 4) == 0) {
            printf("Received exit\n");
            break;
        }
        sleep(1);
    }

    // 断开共享内存连接
    if (shmdt(shmaddr) == -1) {
        perror("shmdt failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("read exit\n");
    
    return 0;
}

• 编译这两个程序

gcc -o write write.c
gcc -o read read.c

在一个终端窗口中运行write, 输入消息，在另一个终端窗口中运行read，查看消息。

要退出程序，则在运行write的终端窗口中键入"exit"，效果如下：

---

四、 共享内存的注意事项

• 使用共享内存需要注意以下几点：

1. 同步问题：由于多个进程可以同时访问共享内存，因此必须要使用同步机制来保证数据的一致性和正确性。
2. 内存泄漏：如果一个进程崩溃或者没有及时解除共享内存映射，就有可能导致内存泄漏的问题。
3. 安全问题：共享内存是多个进程共享的，因此必须要注意数据的安全性和隐私性，避免敏感数据泄露。

五、 共享内存的使用技巧

• 以下是一些共享内存的使用技巧：

1. 分配内存时使用 shmget() 系统调用中的 IPC_PRIVATE 标记，可以确保共享内存的键值在系统中是唯一的，避免冲突和安全问题。
2. 在读写共享内存之前，使用信号量或互斥锁等同步机制来保证数据的一致性和正确性。
3. 在使用共享内存时，可以将共享内存区域按照固定大小进行分块，避免多个进程同时访问同一块内存区域的冲突。

小结

共享内存是一种高效、灵活、方便的进程间通信方式，可以用于在多个进程之间共享大量数据。

使用共享内存需要注意同步、安全和内存泄漏等问题，可以使用信号量、互斥锁等同步机制来保证数据的正确性。

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