Linux进程间通信(IPC)编程实践（七）共享内存的使用-System V共享内存（API）

上一篇博文提到的系统调用mmap通过映射一个普通文件实现共享内存。那么本文中介绍的System V 共享内存则是通过映射特殊文件系统shm中的文件实现进程间的共享内存通信。也就是说，每个共享内存区域对应特殊文件系统shm中的一个文件。执行过程是先调用shmget，再调用shmat。对于每个共享的内存区，内核维护如下的信息结构，定义在<sys/shm.h>头文件中。

//System V 共享内存基本数据结构  
struct shmid_ds  
{  
    struct ipc_perm shm_perm;    /* Ownership and permissions: System V IPC所共有的数据结构 */  
    size_t          shm_segsz;   /* Size of segment (bytes): 共享内存段的大小 */  
    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) */  
    shmatt_t        shm_nattch;  /* No. of current attaches */  
    ...  
};  

System V共享内存常用API

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
/*
创建一个新的内存共享区或者访问一个已经存在的共享内存区
返回共享内存区标识符
*/
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
/*
创建或打开一个共享内存区后，调用shmat把它连接到调用进程的地址空间
*/
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr,int shmflg);
/*

</pre><pre name="code" class="cpp" style="font-size: 14px;">当一个进程完成某个共享内存区的使用时，调用shmdt断开这个内存区
*/
int shmdt(const void *shmaddr);
/*
对内存区进行多种操作
cmd取值：
IPC_RMID：从系统中删除由shmid标识的共享内存区并拆除它
IPC_SET：给指定的共享内存区设置其shmid_ds结果成员
IPC_STAT：通过buff参数向调用者返回所指定共享内存区当前的shmid_ds结构
*/
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

调用shmget函数使用指定的路径名和长度创建一个共享内存区，如下：

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

 创建共享内存,并将该内存的内容初始化为0; 

   打开一个已经存在共享内存, 如果打开时不知道共享内存的大小, 可以将size指定为0, shmflg可以指定为0(按照默认的权限打开);    

参数:

   key:这个共享内存段名字;

   size:共享内存大小(bytes);

   shmflg:用法类似msgget中的msgflg参数;

返回值:

   成功返回一个非负整数，即该共享内存段的标识码；失败返回-1

/**示例: 创建并打开一个共享内存 **/  
int main(int argc,char **argv)  
{  
    const int SHM_SIZE = 1024;  
    int shmid = shmget(0x1234, SHM_SIZE, 0666|IPC_CREAT);  
    if (shmid == -1)  
        err_exit("shmget error");  
    cout << "share memory get success" << endl;  
}  

shmat

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

 连接到本进程地址空间, 成功连接之后, 对该内存的操作就与malloc来的一块内存非常类似了, 而且如果这块内存中有数据, 则就可以直接将其中的数据取出来。

参数:

   shmaddr:指定连接的地址(大小不知道的话推荐使用NULL)

   shmflg:一般指定为0, 表示可读,可写; 而它的另外两个可能取值是SHM_RND和SHM_RDONLY(见下)

返回值：

   成功返回一个指针，指向共享内存起始地址；失败返回(void *) -1

shmaddr与shmflg组合说明
shmaddr为NULL	Linux内核自动为进程连接到进程的内存(推荐使用)
shmaddr不为NULL且shmflg无SHM_RND标记	以shmaddr为连接地址
shmaddr不为NULL且shmflg设置了SHM_RND标记	连接的地址会自动向下调整为SHMLBA的整数倍; 公式：shmaddr - (shmaddr % SHMLBA) SHMLBA为内存页面的大小(4K)
shmflg=SHM_RDONLY	只读共享内存, 不然的话就是可读,可写的, 注意: 此处没有可读,可写这个概念

shmdt

当一个进程完成某个共享内存区的使用时，调用shmdt断开这个内存区：

int shmdt(const void *shmaddr);

参数:

   shmaddr: 由shmat所返回的指针

注意：将共享内存段与当前进程脱离不等于删除共享内存段

/** 示例: 将数据写入/读出共享内存 
程序write: 将数据写入共享内存 
程序read: 将数据读出共享内存(当然, 可以读取N多次) 
**/  
//write程序  
struct Student  
{  
    char name[26];  
    int age;  
};  
int main(int argc,char **argv)  
{  
    int shmid = shmget(0x1234, sizeof(Student), 0666|IPC_CREAT);  
    if (shmid == -1)  
        err_exit("shmget error");  
  
    // 以可读, 可写的方式连接该共享内存  
    Student *p = (Student *)shmat(shmid, NULL, 0);  
    if (p == (void *)-1)  
        err_exit("shmat error");  
    strcpy(p->name, "xiaofang");  
    p->age = 22;  
    shmdt(p);  
}  

//read程序  
int main(int argc,char **argv)  
{  
    int shmid = shmget(0x1234, 0, 0);  
    if (shmid == -1)  
        err_exit("shmget error");  
  
    // 以只读方式连接该共享内存  
    Student *p = (Student *)shmat(shmid, NULL, 0);  
    if (p == (void *)-1)  
        err_exit("shmat error");  
  
    // 直接将其中的内容打印输出  
    cout << "name: " << p->name << ", age: " << p->age << endl;  
    shmdt(p);  
}  

shmctl

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

设置/获取共享内存属性
参数:
   cmd:将要采取的动作(三个取值见下)
   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

IPC_RMID：从系统中删除由shmid标识的共享内存区并拆除它 IPC_SET：给指定的共享内存区设置其shmid_ds结果成员 IPC_STAT：通过buff参数向调用者返回所指定共享内存区当前的shmid_ds结构

System V共享内存小结:

1）如果共享内存已经与所有访问它的进程断开了连接，则调用IPC_RMID子命令后，系统将立即删除共享内存的标识符，并删除该共享内存区，以及所有相关的数据结构；

2）如果仍有别的进程与该共享内存保持连接，则调用IPC_RMID子命令后，该共享内存并不会被立即从系统中删除，而是被设置为IPC_PRIVATE状态，并被标记为"已被删除"（使用ipcs命令可以看到dest字段）；直到已有连接全部断开，该共享内存才会最终从系统中消失。

3）另外：一旦通过shmctl对共享内存进行了删除操作，则该共享内存将不能再接受任何新的连接，即使它依然存在于系统中！所以，可以确知，在对共享内存删除之后不可能再有新的连接，则执行删除操作是安全的；否则，在删除操作之后如仍有新的连接发生，则这些连接都将可能失败。

/** 示例: 删除共享内存 **/  
int main(int argc,char *argv[])  
{  
    int shmid = shmget(0x1234, 0, 0);  
    if (shmid == -1)  
        err_exit("shmget error");  
  
    if (shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1)  
        err_exit("shmctl IPC_RMID error");  
    cout << "share memory remove success" << endl;  
}