共享内存和信号量的配合机制

进程之间共享内存的机制，有了这个机制，两个进程可以像访问自己内存中的变量一样，访问共享内存的变量。但是同时问题也来了，当两个进程共享内存了，就会存在同时读写的问题，就需要对于共享的内存进行保护，就需要信号量这样的同步协调机制。

对于共享内存的操作，首先，创建之前，我们要有一个 key 来唯一标识这个共享内存。这个 key 可以根据文件系统上的一个文件的 inode 随机生成。

然后，我们需要创建一个共享内存，就像创建一个消息队列差不多，都是使用 xxxget 来创建。其中，创建共享内存使用的是下面这个函数：

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

其中，key 就是前面生成的那个 key，shmflag 如果为 IPC_CREAT，就表示新创建，还可以指定读写权限 0777。

对于共享内存，需要指定一个大小 size，这个一般要申请多大呢？一个最佳实践是，我们将多个进程需要共享的数据放在一个 struct 里面，然后这里的 size 就应该是这个 struct 的大小。这样每一个进程得到这块内存后，只要强制将类型转换为这个 struct 类型，就能够访问里面的共享数据了。

在这里，我们定义了一个 struct shm_data 结构。这里面有两个成员，一个是一个整型的数组，一个是数组中元素的个数。

生成了共享内存以后，接下来就是将这个共享内存映射到进程的虚拟地址空间中。我们使用下面这个函数来进行操作。

void *shmat(int  shm_id, const  void *addr, int shmflg);

这里面的 shm_id，就是上面创建的共享内存的 id，addr 就是指定映射在某个地方。如果不指定，则内核会自动选择一个地址，作为返回值返回。得到了返回地址以后，我们需要将指针强制类型转换为 struct shm_data 结构，就可以使用这个指针设置 data 和 datalength 了。

当共享内存使用完毕，我们可以通过 shmdt 解除它到虚拟内存的映射。

int shmdt(const  void *shmaddr)；

信号量以集合的形式存在的。

首先，创建之前，我们同样需要有一个 key，来唯一标识这个信号量集合。这个 key 同样可以根据文件系统上的一个文件的 inode 随机生成。

然后，我们需要创建一个信号量集合，同样也是使用 xxxget 来创建，其中创建信号量集合使用的是下面这个函数。

int semget(key_t key, int nsems, int semflg);

这里面的 key，就是前面生成的那个 key，shmflag 如果为 IPC_CREAT，就表示新创建，还可以指定读写权限 0777。

这里，nsems 表示这个信号量集合里面有几个信号量，最简单的情况下，我们设置为 1。

对于信号量，往往要定义两种操作，P 操作和 V 操作。对应上面代码中 semaphore_p 函数和 semaphore_v 函数，semaphore_p 会调用 semop 函数将信号量的值减一，表示申请占用一个资源，当发现当前没有资源的时候，进入等待。semaphore_v 会调用 semop 函数将信号量的值加一，表示释放一个资源，释放之后，就允许等待中的其他进程占用这个资源。

可以用这个信号量，来保护共享内存中的 struct shm_data，使得同时只有一个进程可以操作这个结构。

共享内存和信号量的配合机制，如下图所示：

• 无论是共享内存还是信号量，创建与初始化都遵循同样流程，通过 ftok 得到 key，通过 xxxget 创建对象并生成 id；
• 生产者和消费者都通过 shmat 将共享内存映射到各自的内存空间，在不同的进程里面映射的位置不同；
• 为了访问共享内存，需要信号量进行保护，信号量需要通过 semctl 初始化为某个值；
• 接下来生产者和消费者要通过 semop(-1) 来竞争信号量，如果生产者抢到信号量则写入，然后通过 semop(+1) 释放信号量，如果消费者抢到信号量则读出，然后通过 semop(+1) 释放信号量；
• 共享内存使用完毕，可以通过 shmdt 来解除映射。

此文章为11月Day20学习笔记，内容来源于极客时间《趣谈Linux操作系统》，推荐该课程。