【Linux】共享内存

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一、共享内存的原理

共享内存是由操作系统维护和管理的一块内存。

共享内存的本质是内核级的缓冲区。

一个进程向操作系统申请一块共享区内存，操作系统为该进程创建了一块内存后，进程要将该共享内存与自己的虚拟地址空间进行映射挂接。

也就是将共享区内存通过页表建立映射关系后，在进程自己的虚拟地址空间的共享区中就保留了共享内存的起始地址。

同时，进程b也通过页表映射，将共享区的起始地址映射到自己的虚拟地址空间中，两个进程就能看到同一份资源，从而能实现通信！！！

那为什么要个操作系统申请内存，而不给进程自己管理呢？
因为操作系统要对各种共享内存进行先描述，再组织的工作。

所以，共享内存一定有对应的描述该共享内存的对象，保存共享内存及其周边的各种属性和信息。

操作系统对这些对象进行管理的过程，本质转化成对链表的增删查改。

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详谈共享内存的实现过程

二、共享内存的接口函数

1.shmget

shmget - allocates a System V shared memory segment
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

该接口就是向内存申请一块共享内存。

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参数2：size

该参数就是申请的共享内存块的大小。

注意：一般申请的共享内存是4096字节（4KB）的整数倍。
如果申请的是4097字节，操作系统会给一块4096*2字节大小的共享内存，但是能够使用的只有4097字节，剩下的空间给了也不能用。

参数3：shmflg

这个参数类似于open函数的第三个参数，打开的方式：O_CREAT|O_WRONLY，shmflg参数的底层也是使用位图实现的。

重点是这两个宏定义

• 1.IPC_CREAT单独使用时，如果不存在，就创建并返回，如果存在，就获取并返回。
• 2.IPC_CREAT|IPC_EXCL一起使用时，如果不存在，就创建并返回，如果存在，则出错返回。
• 3.IPC_EXCL不单独使用

第二点让人奇怪，解释如下：
IPC_CREAT|IPC_EXCL能保证如果能申请到，那么申请到的共享内存是最新的！

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参数3：key

key是一个唯一标识符，也就是说每个共享内存都有唯一的key。

ftok  - convert a pathname and a project identifier to a System V IPC key
SYNOPSIS
#include 
#include 
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

用户通过传递一个路径名和一个id，返回一个共享内存的唯一标识符。
所以ftok函数的本质就是一个算法。
pathname和proj_id是用户自己控制的。

为什么不让操作系统随机生成呢？
因为操作系统随机生成的key并不能传递给另一个进程，从而让不同的进程看到同一份资源这个目的。

所以必须让用户传参下来。

key_t key = ftok(pathname.c_str(),proj_id); // 成功返回key，失败返回-1

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返回值：

如果共享内存申请成功，返回的是shmid,其实这个返回值就像是文件fd，创建一个文件，返回该文件在文件数组fd_array中的下标。申请失败返回-1.

  key_t key = ftok(PATH_NAME,proj_id);
  flag = IPC_CREATE|IPC_EXCL|0666;
  int shmid = shmget(key,size,flag); // 申请成功返回id，失败返回-1

所以可见，共享内存的确是由操作系统管理起来的。

所以，共享内存的生命周期是随操作系统的，进程退出共享内存并不会释放。除非内核重启，否则共享内存是不会释放的。

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对比shmid和key：
shmid是共享内存在数组中的下标，只在进程内，用于标识资源的唯一性。
而key是内核级标定共享内存唯一性的。

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共享内存的权限问题：
共享内存的权限，可以直接在shmget函数的第二个参数中传递。

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如何保证让不同的进程看到同一份内存呢？

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2. shmat

该函数是将指定进程与共享内存进行挂接。
第一个参数就是共享内存的id，第二个参数暂时不用管，设置为nullptr即可，第三个参数同样暂时不管，设置成0.

 //  2. 将服务端与共享内存挂接起来
char *shmaddr = (char *)shmat(shmid, nullptr, 0); 
// 返回挂接的虚拟地址的起始地址

shmdt

将挂接时获取的地址传过去，取消挂接即可，成功返回0，失败返回-1.

shmctl

就是将共享内存删除。
参数1传对应的共享内存，参数2传IPC_RMID，参数3先不管，穿nullptr；
参数2的命令如下，就是标记对应的共享内存为删除状态。

进程间使用共享内存通信

假设进程A申请共享内存。

对进程A来说：

• 1.进程A先调用shmget函数，创建共享内存。
• 2.进程A与对应的共享内存挂接起来。
• 3.通信完成后取消挂接。
• 4.再将共享内存释放。

对进程B来说：
1.进程B先调用shmget函数，获取共享内存。
2.进程B与对应的共享内存挂接起来。
3.通信完成后取消挂接。

三、共享内存的特性

1.共享内存没有同步互斥之类的保护机制

2.共享内存是所有进程间通信中，速度最快的！（拷贝少）
进程想向内存中写入数据，直接向对应的共享内存进行写入即可，只需要将用户层缓冲区拷贝到内存中即可。只需要一次拷贝。

3.共享内存内部的数据，由用户自己维护！！

关于代码

代码地址请移步：gitee——共享内存