Linux 进程间通信——共享内存
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（图像由AI生成）
0.前言
在上篇博客中，我们介绍了 Linux 进程间通信的方式之一——管道。管道是一种简单、方便的进程间通信方式，但它的效率和数据持久性较低，适用于父子进程之间的数据传输。在本篇中，我们将继续深入 Linux IPC（Inter-Process Communication，进程间通信）机制，介绍另一种高效的通信方式——System V 共享内存。共享内存是一种允许多个进程直接访问内存区域的机制，能够提供比管道更快的数据交换速度，非常适合在进程间传输大量数据。
1.共享内存的数据结构
共享内存的示意图如下所示：
在 Linux 系统中，struct shmid_ds 是一个描述共享内存段的内核数据结构，用于管理每个共享内存段的状态和属性。以下是该结构体的主要成员及其作用说明：
struct shmid_ds {
struct ipc_perm shm_perm; /* 访问权限和标识符 */
int shm_segsz; /* 共享内存段的大小（字节） */
__kernel_time_t shm_atime; /* 上次连接到共享内存的时间 */
__kernel_time_t shm_dtime; /* 上次断开共享内存的时间 */
__kernel_time_t shm_ctime; /* 共享内存的上次修改时间 */
__kernel_ipc_pid_t shm_cpid; /* 创建共享内存的进程 ID */
__kernel_ipc_pid_t shm_lpid; /* 上次操作共享内存的进程 ID */
unsigned short shm_nattch; /* 当前连接到该共享内存段的进程数 */
unsigned short shm_unused; /* 兼容性字段，已废弃 */
void *shm_unused2; /* 保留字段（DIPC 使用） */
void *shm_unused3; /* 未使用的保留字段 */
};
主要字段说明：
-
shm_perm：这是一个
ipc_perm类型的结构体，包含共享内存的权限信息，包括用户 ID、组 ID 和访问权限等。它允许系统控制对共享内存段的访问。 -
shm_segsz：共享内存段的大小，以字节为单位。在分配共享内存段时，指定该段的大小，以确定可用内存空间。
-
shm_atime、shm_dtime、shm_ctime：这些字段记录了共享内存段的时间信息。
shm_atime表示上次连接的时间，shm_dtime表示上次断开的时间，shm_ctime表示最后一次更改（如调整权限）的时间。 -
shm_cpid 和 shm_lpid：
shm_cpid是创建共享内存段的进程 ID，shm_lpid是最后一个操作该共享内存的进程 ID，用于跟踪对共享内存的访问和管理。 -
shm_nattch：表示当前连接到此共享内存段的进程数。该值用于确定共享内存是否在使用中，通常只有当
shm_nattch为 0 时，才可以销毁该段。 -
shm_unused、shm_unused2 和 shm_unused3：这些字段为兼容性和扩展预留，目前在大多数系统中未被使用。
这些字段的设置和更新由内核在共享内存的管理过程中自动完成，因此开发者在调用共享内存相关的 API（如 shmget、shmat 等）时无需直接操作这些字段。
2.代码示例及共享内存函数
2.1代码示例
以下代码展示了如何使用 System V 共享内存来进行进程间的通信。此示例包括创建共享内存、写入数据、读取数据，以及在多个进程之间同步共享内存的操作，旨在演示共享内存的基本用法。每个代码片段均附有详细注释以便理解。
#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/wait.h>
#define SHM_SIZE 1024 // 共享内存的大小（字节）
int main() {
// Step 1: 创建唯一的键值
key_t key = ftok("shmfile", 65); // 使用ftok生成一个唯一的key
if (key == -1) {
perror("ftok failed");
exit(1);
}
// Step 2: 创建共享内存段
int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, 0666 | IPC_CREAT); // 0666代表读写权限
if (shmid == -1) {
perror("shmget failed");
exit(1);
}
// Step 3: 创建子进程
pid_t pid = fork();
if (pid < 0) {
perror("fork failed");
exit(1);
} else if (pid == 0) {
// 子进程：写入数据到共享内存
char *data = (char*) shmat(shmid, NULL, 0); // 连接到共享内存
if (data == (char *)(-1)) {
perror("shmat failed");
exit(1);
}
printf("子进程：写入数据到共享内存...\n");
strcpy(data, "Hello, Shared Memory! This is child process writing.");
printf("子进程：数据写入完成，内容为：%s\n", data);
// 分离共享内存
if (shmdt(data) == -1) {
perror("shmdt failed");
exit(1);
}
exit(0); // 子进程完成写入后退出
} else {
// 父进程等待子进程完成
wait(NULL);
// 父进程：读取共享内存中的数据
char *data = (char*) shmat(shmid, NULL, 0); // 连接到共享内存
if (data == (char *)(-1)) {
perror("shmat failed");
exit(1);
}
printf("父进程：读取共享内存中的数据...\n");
printf("父进程：读取的数据为：%s\n", data);
// 分离共享内存
if (shmdt(data) == -1) {
perror("shmdt failed");
exit(1);
}
// 删除共享内存段
if (shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1) {
perror("shmctl failed");
exit(1);
}
}
return 0;
}
代码说明：
-
Step 1: 使用
ftok函数生成一个唯一的键值key。这个键将用于识别共享内存段。ftok可以通过指定文件路径和项目标识符生成一个独特的 key，便于共享内存段在不同进程间的访问。 -
Step 2: 使用
shmget函数创建一个大小为SHM_SIZE的共享内存段，并设置其权限为读写。IPC_CREAT标志表示如果该共享内存段不存在，则创建新的。 -
Step 3: 使用
fork创建一个子进程，演示不同进程对共享内存的访问。
子进程:
- 使用
shmat函数将共享内存段映射到自身的地址空间，获取指向共享内存的指针data。 - 将字符串写入共享内存，并显示写入的内容。
- 完成后使用
shmdt函数分离共享内存。
父进程:
- 使用
wait等待子进程完成写入。 - 使用
shmat连接到共享内存段，读取内容并打印。 - 断开连接并使用
shmctl删除共享内存段，确保内存资源被释放。
运行结果
- 子进程会将数据写入共享内存，而父进程读取并显示数据，展示了进程间共享内存通信的基本工作流程。
2.2 shmget 函数
功能：shmget 用于创建或获取一个共享内存段。
原型：
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);参数：
key：共享内存段的标识符，通常通过ftok函数生成。用于区分不同的共享内存段。size：共享内存段的大小（字节）。这是共享内存分配的内存空间大小。shmflg：控制共享内存段的权限和行为，通常是访问权限和创建标志的组合。- 取值
IPC_CREAT：若共享内存段不存在，则创建新段；若已存在，则返回现有段。 - 取值
IPC_CREAT | IPC_EXCL：若共享内存段不存在，则创建；若已存在，则返回错误。
- 取值
返回值：成功时返回共享内存段的标识符（非负整数）；失败时返回 -1，并设置 errno 标记错误原因。
2.3 shmat 函数
功能：shmat 将指定的共享内存段附加到当前进程的地址空间，允许进程访问共享内存中的数据。
原型：
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);参数：
shmid：共享内存段的标识符，由shmget返回。shmaddr：用于指定共享内存的连接地址。通常为NULL，让系统选择合适的地址。shmflg：附加模式，可设为SHM_RDONLY以只读方式附加共享内存；若为 0，则为读写模式。
返回值：成功时返回共享内存段在当前进程地址空间中的首地址；失败时返回 (void *) -1。
2.4 shmdt 函数
功能：shmdt 用于将共享内存段从当前进程的地址空间中分离。
原型：
int shmdt(const void *shmaddr);参数：
shmaddr：共享内存段在进程地址空间中的首地址，即shmat返回的地址。
返回值：成功时返回 0；失败时返回 -1。
2.5 shmctl 函数
功能：shmctl 用于控制共享内存段的操作，如删除共享内存段、获取共享内存信息等。
原型：
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);参数：
shmid：共享内存段的标识符。cmd：控制命令，常用的有：IPC_RMID：删除共享内存段。IPC_STAT：获取共享内存段的状态信息，存储在buf中。IPC_SET：设置共享内存段的状态信息，如更改权限。
buf：shmid_ds结构体指针，用于存储或设置共享内存段的状态信息。
返回值：成功时返回 0；失败时返回 -1，并设置 errno 标记错误原因。
3.共享内存和管道的比较
| 特性 | 共享内存 | 管道 |
|---|---|---|
| 数据交换速度 | 高速（直接内存访问） | 较慢（需读写操作） |
| 数据存储持久性 | 手动控制，需显式删除 | 随进程结束自动销毁 |
| 访问方式 | 允许多个进程读写，需同步控制 | 适用于父子进程之间 |
| 数据量 | 适合大数据量传输 | 适合小数据量传输 |
| 通信方向 | 双向读写 | 单向（单向管道） |
| 编程复杂度 | 较高（需同步机制） | 较低 |
| 创建方式 | 使用 shmget 创建 | 使用 pipe 或 mkfifo |
4.进一步了解systemV
System V 是 UNIX 系统的一个重要版本，其提供了一套经典的进程间通信（IPC）机制，包括 共享内存、消息队列 和 信号量，它们被称为 System V IPC。这些机制用于满足多进程间的数据共享、消息传递和同步需求，是传统 UNIX 系统中常见的 IPC 手段。
System V 其他通信方式：
-
消息队列（Message Queue）：消息队列允许进程通过有序的消息进行通信。进程可以将消息放入队列，其他进程按顺序读取消息，实现了异步、结构化的数据传递。
-
信号量（Semaphore）：信号量用于控制多个进程对共享资源的访问，主要解决并发情况下的同步问题。信号量可以增加或减少资源计数，常用于进程的互斥控制，防止多个进程同时操作同一资源。
这些 System V IPC 方式各自有不同的应用场景，消息队列适用于消息传递，信号量适用于同步控制，而共享内存适用于高效的数据共享。
5.结语
通过本篇博客，我们深入探讨了 Linux 中 System V 共享内存的使用方法，包括其数据结构、关键函数及其使用示例。同时，我们将共享内存与管道进行了对比，并简要介绍了 System V 的其他通信方式，如消息队列和信号量。共享内存作为一种高效的进程间通信机制，适用于大数据量的传输和多进程的资源共享，是 Linux IPC 中不可或缺的一部分。希望通过本篇博客，大家能够更好地理解和运用共享内存来优化进程间的通信效率。
原文地址：https://blog.csdn.net/wxk2227814847/article/details/143782391
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