【共享内存】
共享内存
- 1. 概述
- 2. 案例分析（同步执行）
-
- 写进程（shm_write.c）
-
- shmget结构体和shmget函数的区别
- shmat函数的作用
- fill_buffer函数
- shmdt函数
- 读进程（shm_read.c）
- 运行结果
- 3. 案例分析（进程同步）
-
- 写进程（shm_writes_sem.c）
- 读进程（shm_read_sem.c）
1. 概述
共享内存是一种进程间通信（IPC）的机制，允许不同的进程共享同一块内存区域。这样，多个进程可以同时访问和修改共享内存中的数据，从而达到数据共享的目的。
共享内存通常由一个进程创建，并通过特定的系统调用将其附加到其他进程的地址空间中。进程可以通过读写共享内存中的数据来进行通信和同步。由于共享内存的访问速度非常快，因此它是一种高效的进程间通信机制。
但是，由于多个进程可以同时访问和修改共享内存中的数据，因此需要特殊的同步机制来避免数据竞争和其他并发问题。常见的同步机制包括信号量、互斥量和条件变量等。
2. 案例分析（同步执行）
话不多说，直接上代码。
写进程（shm_write.c）
/* Filename: shm_write.c */
#include这是一个使用共享内存实现进程间通信的程序。它创建了一个共享内存区域，然后向其中写入数据。下面是代码的大致流程：
- 定义了一个结构体
shmseg，其中包含了一个计数器、一个标志位以及一个长度为BUF_SIZE的缓冲区。 - 主函数中调用了
shmget函数来创建共享内存区域，如果创建失败则输出错误信息并退出程序。 - 调用
shmat函数将进程附加到共享内存区域，获取到了一个指向共享内存区域的指针，如果失败则输出错误信息并退出程序。 - 主函数中通过循环向共享内存区域写入数据。具体来说，它调用了一个名为
fill_buffer的函数，该函数填充缓冲区，然后将缓冲区中的数据写入共享内存区域。循环执行 5 次，每次等待 3 秒钟。 - 写入完成后，主函数将
complete标志位置为 1，然后通过调用shmdt函数将进程从共享内存区域分离，最后调用shmctl函数删除共享内存区域。 - 程序运行完毕，主函数输出
"Writing Process: Complete"。
总之，这是一个向共享内存区域写入数据的程序。它创建了一个共享内存区域，然后将数据写入其中。该程序可以与另一个程序共同使用，以实现进程间通信。
shmget结构体和shmget函数的区别
shmget函数用于创建或访问一个共享内存段。它的函数原型为：
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
它接受三个参数：
（1）key：用于标识共享内存段的键值，可以通过 ftok 函数生成。
（2）size：指定共享内存段的大小（以字节为单位）。
（3）shmflg：指定访问权限和其他标志。
shmget 函数返回共享内存段的标识符（也称为共享内存段的 ID）。如果共享内存段已经存在，则返回它的标识符；如果共享内存段不存在，则根据指定的 size 创建一个新的共享内存段，并返回它的标识符。
2. struct shmseg 结构体定义了共享内存段中存储的数据的格式。它包含三个成员：
（1）cnt：表示缓冲区中存储的数据的长度。
（2）complete：一个标志，用于表示数据是否已经全部写入共享内存段。
（3）buf：一个字符数组，用于存储实际的数据。
在程序中，使用 shmget 函数创建了一个共享内存段，然后使用 struct shmseg 结构体来表示该共享内存段中存储的数据。程序使用共享内存段来实现两个进程之间的通信，其中一个进程用于写入数据，另一个进程用于读取数据。
因此，shmget 函数和 struct shmseg 结构体的作用不同，但它们都是实现共享内存通信的关键组成部分。
shmat函数的作用
shmat 函数用于将进程与一个共享内存段关联起来，从而使得进程可以访问共享内存段中的数据。它的函数原型为：
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
它接受三个参数：
（1）shmid：共享内存段的标识符，它是由 shmget 函数返回的。
（2）shmaddr：指定共享内存段将要被映射到进程的地址。通常传入 NULL，表示让系统自动选择一个合适的地址。
（3）shmflg：指定映射方式和其他标志。
shmat 函数返回一个指向共享内存段第一个字节的指针，如果出现错误，则返回 (void *)-1。
在这个程序中，shmat 函数用于将当前进程与共享内存段关联起来，从而使得进程可以访问共享内存段中的数据。具体来说，程序在调用 shmget 函数创建共享内存段之后，通过 shmat 函数将 struct shmseg 结构体映射到共享内存段上，这样就可以在进程中使用该结构体来访问共享内存段中的数据了。
fill_buffer函数
fill_buffer 函数的作用是将指定的缓冲区填充为重复的字母序列，直到缓冲区填满为止。
具体来说，fill_buffer 函数的第一个参数 bufptr 是一个指向缓冲区的指针，第二个参数 size 是缓冲区的大小（以字节为单位）。函数首先将一个静态的字符变量 ch 赋值为 'A'，然后使用 memset 函数将缓冲区填充为 size-1 个 ch 字符，最后将缓冲区的最后一个字符设置为 '\0'，以确保缓冲区可以当作一个 C 语言风格的字符串使用。
如果 ch 的值超过了字母表的最后一个字符 'z'，则将 ch 的值重置为字母表的第一个字符 'A'。此外，fill_buffer 函数还会返回实际填充缓冲区的字符个数（即不包括最后一个 '\0' 字符）。
在该程序中，fill_buffer 函数用于向共享内存段中写入数据，即将缓冲区填充为字母序列，然后将数据写入到共享内存段中。在写入数据之前，程序将缓冲区的地址赋给指向共享内存段的指针 shmp->buf，这样程序就可以通过 shmp->buf 指针来访问共享内存段中的缓冲区了。具体来说，程序在循环中反复调用 fill_buffer 函数，将缓冲区填充为不同的字母序列，然后将填充后的数据写入到共享内存段中。
shmdt函数
shmdt()函数是用于将共享内存从进程的地址空间中分离的函数。调用该函数后，进程将不能再访问共享内存中的数据。该函数的函数原型如下：
#include 其中，参数shmaddr是指向共享内存段附加到进程地址空间的指针。
如果分离成功，shmdt()函数返回0，否则返回-1，并设置errno变量来指示错误原因。
在使用共享内存完成数据传输之后，需要使用shmdt()函数将共享内存从进程的地址空间中分离。这是一个很重要的步骤，因为共享内存是由多个进程共享的资源，而不是属于某个进程的私有资源，如果不使用shmdt()函数将共享内存分离，可能会导致其他进程无法访问该共享内存，造成资源泄漏等问题。
读进程（shm_read.c）
/* Filename: shm_read.c */
#include这段代码实现了一个使用共享内存的读进程。这段代码的作用是从共享内存中读取数据并输出到标准输出流，主要用于进程间通信。以下是代码的详细解读：
- 包含必要的头文件：
stdio.h、sys/ipc.h、sys/shm.h、sys/types.h、string.h、`errno.h、stdlib.h。 - 定义常量：
BUF_SIZE表示共享内存中的缓冲区大小为1024，SHM_KEY表示共享内存的键值为0x1234。 - 定义了一个结构体
shmseg，包括三个成员变量：cnt表示缓冲区中实际数据的大小；complete表示是否读取完毕；buf表示共享内存中的缓冲区。 main()函数首先创建共享内存，如果创建失败则输出错误信息并返回1。- 通过
shmat()函数将共享内存附加到进程的地址空间，返回一个指向共享内存的指针，如果附加失败则输出错误信息并返回1。 - 在一个循环中，读进程从共享内存中读取数据并输出到标准输出流，如果读取出错则输出错误信息并返回1。
- 如果
complete成员变量被设置为1，表明读取完毕，此时读进程将共享内存从地址空间中分离，如果分离失败则输出错误信息并返回1。 - 最后，读进程输出
“Reading Process: Complete”，并返回0表示正常退出。
运行结果
3. 案例分析（进程同步）
发现问题： 在以上代码中，使用了一个简单的标志位complete来指示进程是否已经完成对共享内存的读写操作。标志位的值为0表示正在写入，值为1表示写入已完成，读取进程可以根据该标志位的值来判断何时停止读取。如果使用信号量来控制进程对共享内存的访问，则可以更加精细地控制读写进程之间的同步，从而避免竞态条件和数据不一致等问题。
写进程（shm_writes_sem.c）
/* Filename: shm_write.c */
#include 读进程（shm_read_sem.c）
/* Filename: shm_read.c */
#include 在这个例子中，可以使用两个二进制信号量（semaphore）来同步和保护共享内存的读和写：
- 创建两个二进制信号量：
#include 以上创建了两个二进制信号量，一个用于读取进程sem_read ，一个用于写入进程sem_write 。 初始值分别为0和1，以确保写入进程可以立即开始写入。
- 在写入进程中，在开始写入之前获取写信号量，完成写入后释放读信号量。
sem_wait(sem_write); // 等待写入信号量
shmp->cnt = fill_buffer(bufptr, spaceavailable);
shmp->complete = 0;
printf("Writing Process: Shared Memory Write: Wrote %d bytes\n", shmp->cnt);
bufptr = shmp->buf;
spaceavailable = BUF_SIZE;
sem_post(sem_read); // 发送读取信号量
- 在读取进程中，在读取之前获取读取信号量，读取完成后释放写信号量。
while (shmp->complete != 1) {
sem_wait(sem_read); // 等待读取信号量
printf("segment contains : \n\"%s\"\n", shmp->buf);
if (shmp->cnt == -1) {
perror("read");
return 1;
}
printf("Reading Process: Shared Memory: Read %d bytes\n", shmp->cnt);
sem_post(sem_write); // 发送写入信号量
sleep(3);
}
这确保了在读取完成之前不会有其他进程写入新的数据。
- 在完成操作之后删除信号量。
sem_close(sem_read);
sem_close(sem_write);
sem_unlink("/sem_read");
sem_unlink("/sem_write");
致谢：本章学习参考连接（https://www.yiibai.com/ipc/shared_memory.html）