进程间通信(4)---共享内存

共享内存机制

是允许两个或多个进程（不相关或有亲缘关系）访问同一个逻辑内存的机制。它是共享和传递数据的一种非常有效的方式。不同进程之间共享的内存通常安排为同一段物理内存。

两种常用共享内存方式

System V版本的共享内存 shmm

1.多个进程直接共享内存

原理: 利用共享内存完成进程间通信,两个进程都通过虚拟地址空间到用户页表,然后通过用户级页表映射到物理内存你的相同的一块内存

文件映射 mmap

1.文件进行频繁读写，将一个普通文件映射到内存中
2. 将特殊文件进行匿名内存映射，为关联进程提供共享内存空间
3. 为无关联的进程提供共享内存空间，将一个普通文件映射到内存中

共享内存操作

ftok()

#include 
#include 
key_t ftok(const char *pathname,int proj_id)

功能:生成key标识符
参数:pathname是传一个字符串(“123”),id是项目id,也可以自定义,此函数会把这两个参数链接起来产生一个返回值key_t,下面示例中直接将int强制类型转换成key_t,这也是可以的;

---

shmget()

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

功能: 创建一个共享内存块，返回这个共享内存块的标识符shmid
参数：

key: ftok()函数的返回值

size: 申请的共享内存的大小，为4k的整数倍(内存页的整数倍)

shmflg: IPC_CREAT创建新的共享内存; 已存在使用IPC_EXCL返回 (没有就创建,存在就返回)

这里用shmget分配完物理空间,接下来用shmat()挂接上去

---

shmat()

#include 
#include 
void *shmat(int shmid,const void *shmaddr, int shmflg)

功能:挂接共享内存（将进程地址空间挂接到物理空间，可以有多个挂接）
参数：

shmid   － 挂接的共享内存ID.也就是用shmget()分配完物理空间以后,传入shmget()的返回值(标识符shmid)

shmaddr － 一般为0，表示连接到由内核选择的第一个可用地址上

shmflg  － 一般为0

后边两个参数填0即可,不用复杂

返回值:用一个指针来接,后面可以用指针直接访问共享内存地址

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shmdt()

delete的缩写"dt",删除的意思

#include 
#include 
int shmdt(const void *shmaddr);

功能:取消共享内存映射
参数:

传入shmat() 函数的返回值

shmctl()

功能:用于控制共享内存,比如:获取状态,修改权限等

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

参数:

shmid － 由shmget()函数返回的共享内存标识码
cmd   － 将要采取的动作（可取值:IPC_STAT(查看状态)、IPC_SET(设置)、IPC_RMID(删除)）
buf   － 指向一个保存着共享内存的模式状态和访问权限的数据结构

示例

//shmwrite.c
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

struct Conn_stat
{
	int count;
	char ip[64];
};

int main()
{
	void *shm = NULL;
	
	int shmid = 0, i = 0;
	struct Conn_stat stat = {0,"127.0.0.1"};
	
	//创建共享内存
	
	shmid = shmget((key_t)1234, sizeof(struct Conn_stat), 0666|IPC_CREAT);
	if(shmid == -1)
	{
		fprintf(stderr, "shmget failed\n");
		exit(1);
	}
	//将共享内存连接到当前进程的地址空间
	shm = shmat(shmid, (void*)0, 0);
	if(shm == (void*)-1)
	{
		fprintf(stderr, "shmat failed\n");
		exit(2);
	}
	printf("Memory attached at %p\n", shm);
	
	//设置共享内存
	struct Conn_stat *p = (struct Conn_stat*)shm;
	memcpy(p,&stat,sizeof(struct Conn_stat));
	
	while((i++) < 30)//修改共享内存中写数据
	{
		p->count++;
		sleep(1);
	}
	
	//把共享内存从当前进程中分离
	if(shmdt(shm) == -1)
	{
		fprintf(stderr, "shmdt failed\n");
		exit(3);
	}
	
	exit(0);
}

另一个进程用来读

//shmread.c
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

struct Conn_stat
{
	int count;
	char ip[64];
	
};

int main()
{
	void *shm = NULL;//分配的共享内存的原始首地址
	struct Conn_stat *stat = NULL;//指向shm
	int shmid;//共享内存标识符
	
	//创建共享内存
	shmid = shmget((key_t)1234, sizeof(struct Conn_stat), 0666|IPC_CREAT);
	if(shmid == -1)
	{
		fprintf(stderr, "shmget failed\n");
		exit(0);
	}
	//将共享内存连接到当前进程的地址空间
	shm = shmat(shmid, 0, 0);
	if(shm == (void*)-1)
	{
		fprintf(stderr, "shmat failed\n");
		exit(1);
	}
	printf("\nMemory attached at %p\n", shm);
	//设置共享内存
	stat = (struct Conn_stat*)shm;
	

	int i = 0;
	while((i++) < 10)
	{
		
		printf("ip = %s ,count: %d\t\t\n", stat->ip, stat->count);	
		sleep(1);
	}
	
	//把共享内存从当前进程中分离
	if(shmdt(shm) == -1)
	{
		fprintf(stderr, "shmdt failed\n");
		exit(2);
	}
	//删除共享内存
	if(shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1)
	{
		fprintf(stderr, "shmctl(IPC_RMID) failed, reason: %s\n",strerror(errno));
		exit(3);
	}
	exit(0);
}

执行方法:
两个终端,分别编译运行,一个写,一个读
效果

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文件映射mmap()

#include 
       void *mmap(void *addr, 
       			  size_t length,
       			  int prot, 
       			  int flags,
                  int fd, 
                  off_t offset);

参数

addr：指向欲映射的内存起始地址，通常设为 NULL，代表让系统自动选定地址，映射成功后返回该地址。

length：代表将文件中多大的部分映射到内存。

prot：映射区域的保护方式。可以为以下几种方式的组合：
      PROT_EXEC         执行   
      PROT_READ         读取
      PROT_WRITE        写入
      PROT_NONE         不能存取

flags：影响映射区域的各种特性。必须要指定MAP_SHARED 或MAP_PRIVATE。
     MAP_SHARED     － 映射区域数据与文件对应，允许其他进程共享(没亲缘,也就是非父子进程使用)
     MAP_PRIVATE    － 映射区域生成文件的copy，修改不同步文件(有亲缘,父子进程使用)
     MAP_ANONYMOUS  － 建立匿名映射。此时会忽略参数fd，不涉及文件，而且映射区域无法和其他进程共享。   
     MAP_DENYWRITE  － 允许对映射区域的写入操作，其他对文件直接写入的操作将会被拒绝。
     MAP_LOCKED     － 将映射区域锁定住，这表示该区域不会被置swap(意思是系统没有内存用了,会移动到磁盘上)

fd：要映射到内存中的文件描述符。
如果使用匿名内存映射时，即flags中设置了MAP_ANONYMOUS，fd设为-1。
有些系统不支持匿名内存映射，则可以使用fopen打开/dev/zero文件，然后对该文件进行映射，可以同样达到匿名内存映射的效果。

offset：文件映射的偏移量，通常设置为0，代表从文件最前方开始对应，offset必须是分页大小的整数倍。

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munmap()

int munmap(void *addr, size_t length);　//解除映射

参数:

将mmap()返回的地址做第一个参数,长度跟mmap()中的相同即可.

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示例

写

//map_write.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

struct Conn_stat
{
	int count;
	char ip[64];
};


int main(int argc,char *argv[]) //这个进程用于创建映射区进行写。
{
	if(argc != 2)
	{
		printf("Usage: %s  file.\n",argv[0]);
		exit(1);
	}

	struct Conn_stat stat = {0,"127.0.0.1"};

	int fd = open(argv[1],O_RDWR|O_CREAT|O_TRUNC,0644);
	if(fd < 0)
	{
		perror("open");
		exit(2);
	}
	ftruncate(fd,sizeof(struct Conn_stat)); //将文件长度阶段为结构体的长度
	
	struct Conn_stat *p = (struct Conn_stat*)mmap(NULL,sizeof(struct Conn_stat),PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);//创建一个结构体大小的共享映射区。共享映射区我们可以当做数组区看待。
	if(p == MAP_FAILED)//(void*)-1
	{
		perror("mmap");
		exit(3);
	}
	close(fd); //关闭不用的文件描述符。

	memcpy(p,&stat,sizeof(struct Conn_stat));
	
	while(p->count < 30)
	{
		
		p->count++;
		sleep(1);
	}
	int ret = munmap(p,sizeof(struct Conn_stat));//解除映射
	if(ret < 0)
	{
		perror("mmumap");
		exit(4);
	}

	return 0;
}

//读

//map_read.c
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

struct Conn_stat
{
	int count;
	char ip[64];
};

int main(int argc,char *argv[]) //这个进程创建映射区进行读
{
	if(argc != 2)
	{
		printf("Usage: %s  file.\n",argv[0]);
		exit(1);
	}


	int fd = open(argv[1],O_RDONLY,0644);
	if(fd < 0)
	{
		perror("open");
		exit(2);
	}
	
	struct Conn_stat stat;

	struct Conn_stat *p = (struct Conn_stat*)mmap(NULL,sizeof(struct Conn_stat),PROT_READ,MAP_SHARED,fd,0);
	if(p == MAP_FAILED)
	{
		perror("mmap");
		exit(3);
	}
	close(fd);
	
	int i = 0;
	while((i++) < 10)
	{
		
		printf("ip = %s ,count: %d\t\t\n",p->ip,p->count);	
		sleep(1);
	}
	int ret = munmap(p,sizeof(stat));//解除映射
	if(ret < 0)
	{
		perror("mmumap");
		exit(4);
	}

	return 0;
}

开两个执行,一个写,一个读(读可以多个)

gcc map_write.cpp -o mwrite
./mwrite map.txt

gcc map_read.cpp -o mread
./mread map.txt