linux共享内存介绍

一、什么是共享内存

1、共享内存的定义

由于进程通信的本质是要让两个不同的进程看到同一份资源，我们可以在物理内存上开辟一块空间，这块空间被称为共享内存，然后让这两个进程通过某种方式都能访问到这块内存，这样的话，两个进程之间就可以通信了。

注意：共享内存操作默认不阻塞，如果多个进程同时读写共享内存，可能出现数据混乱，共享内存需要借助其他机制来保证进程间的数据同步，比如：信号量，共享内存内部没有提供这种机制。

2、共享内存的特点

第一，和创建进程类似，进程被创建的时候，会被分配一个pid来标识这个进程的唯一性，同时也方便OS管理这些进程，因此共享内存在被创建的时候，会被分配一个“ID”来标识唯一性。

第二，共享内存可以允许存在多个，为了区分这些共享内存，我们上面引入了“ID”的概念，但是要如何让两个进程连上同一个共享内存呢？？

就好比，我要和人solo（通信），我创建了一个房间（共享内存），这个房间就有了房间号（共享内存的ID），是个人都能进这个房间，根本没法通信，所以我们要设置房间密码。因此为了通信，我们需要两样东西，一个是房间号，一个是房间密码。

二、使用共享内存的准备和收尾工作

当我们需要使用共享内存时，我们要做的准备工作是：

 a.通过某种调用，在内存中开辟一块空间（shmget）

 b.通过某种调用，让两个进程挂接到这个新开辟的空间上（shmat）

当我们不需要使用共享内存时，我们需要做的收尾工作是：

a. 断开进程和共享内存之间的关联（shmdt）

b.释放共享内存（shmctl）

每一步都对应着一个系统调用接口，下面要说的就是这四个系统调用接口。

三、shmget函数（shared memory get）

这是共享内存的创建函数，调用以后会向内核申请内存，但是需要注意的是，共享内存是以“页”为单位的，一页是4KB = 4096bytes，所以一般建议申请共享内存的大小是4KB的整数倍！

如果申请了4097个字节，那么OS会给你4096*2个字节的空间。
函数原型：

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

(1) 第一个参数 key
第一个参数是唯一标识编号，也就是前面说到的房间密码，这个是由用户自己设置的，一般是通过ftok函数来，也可以自己随意设置一个整数。

// ftok函数原型
#include 
#include 
// 将两个参数作为种子, 生成一个 key_t 类型的数值
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id)

ftok函数的第一个参数：路径名
ftok函数的第二个参数：项目ID
关于这个函数无需想的太复杂，简单来说就是，从路径名中取出一部分，然后再从ID中取出一部分，最后再把两部分组合一下形成一个整数，我们就把这个整数当作“房间密码”。
注意：ftok被不同进程调用，只要路径名和ID是一样的，生成的整数就是一样的。

(2) 第二个参数 size
第二个参数是开辟共享内存的大小，一般建议是4KB的整数倍（原因详见第三部分开头）。

(3) 第三个参数 shmget
第三个参数是创建共享内存的方式以及设置权限。属于位运算输入

IPC_CREAT：可以单独使用，如果共享内存不存在，则重新开辟，函数返回值是新开辟的共享内存的ID；如果已经存在，则沿用已有的共享内存，函数返回值是已有的共享内存的 ID。

IPC_EXCL：检测共享内存是否已经存在了，无法单独使用，要配IPC_CREAT使用，即 IPC_CREAT | IPC_EXCL。IPC_CREAT | IPC_EXCL：如果共享内存不存在，则重新开辟，函数返回值是新开辟的共享内存的ID；如果已经存在，则报错。

IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0664：开辟共享内存的同时，设置共享内存的访问权限.

(4)返回值解析
如果共享内存开辟成功，则返回共享内存的ID（即房间号）；否则返回 -1。

四、关联和解除关联函数shmat

创建 / 打开共享内存之后还必须和共享内存进行关联，这样才能得到共享内存的起始地址，通过得到的内存地址进行数据的读写操作，关联函数的原型如下

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

参数:

• shmid: 要操作的共享内存的 ID, 是 shmget () 函数的返回值
• shmaddr: 共享内存的起始地址，用户不知道，需要让内核指定，写 NULL
• shmflg: 和共享内存关联的对共享内存的操作权限
  SHM_RDONLY: 读权限，只能读共享内存中的数据
  0: 读写权限，可以读写共享内存数据
• 返回值：关联成功，返回值共享内存的起始地址，关联失败返回 (void *) -1

五、shmdt函数

当进程不需要再操作共享内存，可以让进程和共享内存解除关联，另外如果没有执行该操作，进程退出之后，结束的进程和共享内存的关联也就自动解除了。

int shmdt(const void *shmaddr);

参数：shmat () 函数的返回值，共享内存的起始地址
返回值：关联解除成功返回 0，失败返回 - 1

六. shmctl函数，删除共享内存

shmctl () 函数是一个多功能函数，可以设置、获取共享内存的状态也可以将共享内存标记为删除状态。当共享内存被标记为删除状态之后，并不会马上被删除，直到所有的进程全部和共享内存解除关联，共享内存才会被删除。因为通过 shmctl () 函数只是能够标记删除共享内存，所以在程序中多次调用该操作是没有关系的。

// 共享内存控制函数
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

// 参数 struct shmid_ds 结构体原型          
struct shmid_ds {
	struct ipc_perm shm_perm;    /* Ownership and permissions */
	size_t          shm_segsz;   /* Size of segment (bytes) */
	time_t          shm_atime;   /* Last attach time */
	time_t          shm_dtime;   /* Last detach time */
	time_t          shm_ctime;   /* Last change time */
	pid_t           shm_cpid;    /* PID of creator */
	pid_t           shm_lpid;    /* PID of last shmat(2)/shmdt(2) */
    // 引用计数, 多少个进程和共享内存进行了关联
	shmatt_t        shm_nattch;  /* 记录了有多少个进程和当前共享内存进行了管联 */
	...
};

• 参数:
  shmid: 要操作的共享内存的 ID, 是 shmget () 函数的返回值
• cmd: 要做的操作
  IPC_STAT: 得到当前共享内存的状态
  IPC_SET: 设置共享内存的状态
  IPC_RMID: 标记共享内存要被删除了
• buf:
  cmdIPC_STAT, 作为传出参数，会得到共享内存的相关属性信息
  cmdIPC_SET, 作为传入参，将用户的自定义属性设置到共享内存中
  cmd==IPC_RMID, buf 就没意义了，这时候 buf 指定为 NULL 即可
• 返回值：函数调用成功返回值大于等于 0，调用失败返回 - 1

七、相关shell命令

使用 ipcs 添加参数 -m 可以查看系统中共享内存的详细信息

ipcs  -m

------------ 共享内存段 --------------
键        shmid      拥有者  权限     字节     nattch     状态      
0x00000000 425984     oracle     600        524288     2          目标       
0x00000000 327681     oracle     600        524288     2          目标       
0x00000000 458754     oracle     600        524288     2          目标 

使用 ipcrm 命令可以标记删除某块共享内存

# key == shmget的第一个参数
$ ipcrm -M key 

# id == shmget的返回值
$ ipcrm -m id 

八、共享内存的状态

// 参数 struct shmid_ds 结构体原型          
struct shmid_ds {
	struct ipc_perm shm_perm;    /* Ownership and permissions */
	size_t          shm_segsz;   /* Size of segment (bytes) */
	time_t          shm_atime;   /* Last attach time */
	time_t          shm_dtime;   /* Last detach time */
	time_t          shm_ctime;   /* Last change time */
	pid_t           shm_cpid;    /* PID of creator */
	pid_t           shm_lpid;    /* PID of last shmat(2)/shmdt(2) */
    // 引用计数, 多少个进程和共享内存进行了关联
	shmatt_t        shm_nattch;  /* 记录了有多少个进程和当前共享内存进行了管联 */
	...
};

通过 shmctl() 我们可以得知，共享内存的信息是存储到一个叫做 struct shmid_ds 的结构体中，其中有一个非常重要的成员叫做 shm_nattch，在这个成员变量里边记录着当前共享内存关联的进程的个数，一般将其称之为引用计数。当共享内存被标记为删除状态，并且这个引用计数变为 0 之后共享内存才会被真正的被删除掉。

当共享内存被标记为删除状态之后，共享内存的状态也会发生变化，共享内存内部维护的 key 从一个正整数变为 0，其属性从公共的变为私有的。这里的私有是指只有已经关联成功的进程才允许继续访问共享内存，不再允许新的进程和这块共享内存进行关联了。下图演示了共享内存的状态变化：

示例如下：
server.cpp

#include 
#include 
#include 

int main()
{
    const char* path = "./";
    int proId = 1000;
    int shmKey = ftok(path, proId);
    // 1. 创建共享内存, 大小为4k
    int shmid = shmget(shmKey, 4096, IPC_CREAT|0664);
    if(shmid == -1)
    {
        perror("shmget error");
        return -1;
    }

    // 2. 当前进程和共享内存关联
    void* ptr = shmat(shmid, NULL, 0);
    if(ptr == (void *) -1)
    {
        perror("shmat error");
        return -1;
    }

    // 3. 写共享内存
    const char* p = "hello, world, 我是共享我是共享内存，我有4k大小...";
    memcpy(ptr, p, strlen(p)+1);

    // 阻塞程序
    printf("按任意键继续, 删除共享内存\n");
    getchar();

    shmdt(ptr);

    // 删除共享内存
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
    printf("共享内存已经被删除...\n");

    return 0;

client.cpp

#include 
#include 
#include 

int main()
{
    const char* path = "./";
    int proId = 1000;
    int shmKey = ftok(path, proId);
    //1.读取共享内存段，唯一差别在于 flags 参数，此时传0说明只读
    int shmId = shmget(shmKey, 0, 0);
    printf("shmId is %x\n",shmId);
    if(shmId == -1)
    {
        perror("shmget error");
        return -1;
    }
    //2.将本进程和共享内存关联
    void *ptr = shmat(shmId, NULL, 0);
    if (ptr == (void*)-1)
    {
        perror("shmat error");
        return -1;
    }
    // 3. 读共享内存
    printf("共享内存数据: %s\n", (char*)ptr);
    // 阻塞程序
    printf("按任意键继续, 删除共享内存\n");
    getchar();
    shmdt(ptr);
    // 删除共享内存
    shmctl(shmId, IPC_RMID, NULL);
    printf("共享内存已经被删除...\n");
}