共享内存是两个或多个进程之间共享的内存。但是,为什么我们需要共享内存或其他通信方式?

重申一下,每个进程都有其自己的地址空间,如果任何进程希望将某些信息从其自身的地址空间传递到其他进程,则只有使用IPC(进程间通信)技术才有可能。我们已经知道,通信可以在相关或不相关的进程之间进行。

通常,使用管道或命名管道执行相互关联的进程通信,可以使用命名管道或通过共享内存和消息队列的流行IPC技术来执行不相关的进程通信。

我们已经了解了管道和命名管道的IPC技术,现在是时候了解其余IPC技术了,即共享内存,消息队列,信号量,信号和内存映射。

在本章中,我们将全面了解共享内存。

Shared Memory

我们知道要在两个或多个进程之间进行通信,我们使用共享内存,但是在使用共享内存之前,需要通过系统调用完成什么,让我们看一下:

  • 创建共享内存段或使用已创建的共享内存段(shmget())

  • 将进程附加到已创建的共享内存段(shmat())

  • 从已经连接的共享内存段(shmdt())中删除该进程

  • 对共享内存段(shmctl())的控制操作

让我们看一下与共享内存有关的系统调用的一些细节。

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

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

上面的系统调用创建或分配System V共享内存段。需要传递的参数如下-

第一个参数key  识别共享内存段,密钥可以是任意值,也可以是从库函数ftok()派生的值。如果客户端希望通过此密钥使用共享内存,则它必须是服务器的子进程。同样,需要在父进程获得共享内存之后创建子进程。

第二个参数size 是共享内存段的大小,四舍五入为PAGE_SIZE的倍数。

第三个参数shmflg 指定所需的共享内存标志,如IPC_CREAT(创建新段)或IPC_EXCL(与IPC_CREAT一起使用以创建新段,如果段已经存在,则调用失败) 。还需要传递权限。

该调用将在成功时返回有效的共享内存标识符,在失败的情况下返回-1,要知道失败的原因,请使用errno变量或perror()函数进行检查。

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>

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

上面的系统调用对系统V的共享内存段执行共享内存操作,即将共享内存段附加到调用进程的地址空间。需要传递的参数如下-

第一个参数shmid      是共享内存段的标识符,此id是共享内存标识符,它是shmget()系统调用的返回值。

第二个参数shmaddr 用于指定附加地址,如果shmaddr为NULL,则系统默认选择适合的地址来附加该段。如果shmaddr不为NULL,并且在shmflg中指定了SHM_RND,则附件等于SHMLBA(低边界地址)的最接近倍数的地址,否则,shmaddr必须是页面对齐的地址,共享内存附件将在该地址处启动。

第三个参数shmflg     指定所需的共享内存标志,如SHM_RND(将地址四舍五入为SHMLBA)或SHM_EXEC(允许执行段的内容)或SHM_RDONLY(为该段附加段)或SHM_REMAP(将现有映射替换为shmaddr指定的范围,并一直持续到段末尾)。

如果成功,此调用将返回连接的共享内存段的地址;如果失败,则返回-1。要知道失败的原因,请使用errno变量或perror()函数进行检查。

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>

int shmdt(const void *shmaddr)

上面的系统调用针对系统V共享内存段执行共享内存操作,该操作将共享内存段从调用进程的地址空间中分离出来。需要传递的参数是-

参数shmaddr    是要分离的共享内存段的地址,要分离的段必须是shmat()系统调用返回的地址。

成功时此调用将返回0,失败则返回-1。要知道失败的原因,请使用errno变量或perror()函数进行检查。

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

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

上面的系统调用对System V共享内存段执行控制操作。需要传递以下参数-

第一个参数shmid  是共享内存段的标识符。此id是共享内存标识符,它是shmget()系统调用的返回值。

第二个参数cmd     是用于在共享内存段上执行所需控制操作的命令。

cmd的有效值为-

  • IPC_STAT      -   将struct shmid_ds的每个成员的当前值信息复制到buf指向的传递结构,此命令需要对共享内存段具有读取权限。

  • IPC_SET        -   设置结构buf指向的用户ID,所有者的组ID,权限等。

  • IPC_RMID    -    标签要破坏的段。只有在上一个进程将其分离后,该段才被销毁。

  • IPC_INFO    -    返回有关buf指向的结构中共享内存限制和参数的信息。

  • SHM_INFO -    返回一个shm_info结构,其中包含有关共享内存消耗的系统资源的信息。

第三个参数buf是指向名为struct shmid_ds的共享内存结构的指针,此结构的值将用于按cmd设置或获取。

此调用根据传递的命令返回值, IPC_INFO和SHM_INFO或SHM_STAT成功执行后,将返回共享内存段的索引或标识符,对于其他操作则返回0,在失败的情况下返回-1。要知道失败的原因,请使用errno变量或perror()函数进行检查。

让我们考虑以下示例程序。

  • 创建两个进程,一个用于写入共享内存(shm_write.c),另一个用于从共享内存读取(shm_read.c)

  • 该程序通过写入进程(shm_write.c)执行写入共享内存的操作,并通过读取进程(shm_read.c)从共享内存中进行读取操作

  • 在共享内存中进行写入进程,创建大小为1K的共享内存并附加共享内存

  • 写入进程将1023个字节中的每个字母从" A"写入" E"的5倍到共享内存中,最后一个字节表示缓冲区的结尾

  • 读取进程将从共享内存中读取并写入标准输出

  • 读写进程动作是同时执行的

  • 写入完成后,写入进程将更新以指示写入共享内存已完成(在struct shmseg中带有complete变量)

  • 读取进程从共享内存执行读取并显示在输出上,直到获得写入进程完成的指示(struct shmseg中的complete变量)

  • 多次执行读写进程以简化操作,还可以避免无限循环和使程序复杂化

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以下是写入进程的代码(写入共享内存–文件:shm_write.c)

/* Filename: shm_write.c */
#include<stdio.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>
#include<sys/types.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>

#define BUF_SIZE 1024
#define SHM_KEY 0x1234

struct shmseg {
   int cnt;
   int complete;
   char buf[BUF_SIZE];
};
int fill_buffer(char * bufptr, int size);

int main(int argc, char *argv[]) {
   int shmid, numtimes;
   struct shmseg *shmp;
   char *bufptr;
   int spaceavailable;
   shmid = shmget(SHM_KEY, sizeof(struct shmseg), 0644|IPC_CREAT);
   if (shmid == -1) {
      perror("Shared memory");
      return 1;
   }
   
   //Attach to the segment to get a pointer to it.
   shmp = shmat(shmid, NULL, 0);
   if (shmp == (void *) -1) {
      perror("Shared memory attach");
      return 1;
   }
   
   /* Transfer blocks of data from buffer to shared memory */
   bufptr = shmp->buf;
   spaceavailable = BUF_SIZE;
   for (numtimes = 0; numtimes < 5; numtimes++) {
      shmp->cnt = fill_buffer(bufptr, spaceavailable);
      shmp->complete = 0;
      printf("Writing Process: Shared Memory Write: Wrote %d bytes\n", shmp->cnt);
      bufptr = shmp->buf;
      spaceavailable = BUF_SIZE;
      sleep(3);
   }
   printf("Writing Process: Wrote %d times\n", numtimes);
   shmp->complete = 1;

   if (shmdt(shmp) == -1) {
      perror("shmdt");
      return 1;
   }

   if (shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1) {
      perror("shmctl");
      return 1;
   }
   printf("Writing Process: Complete\n");
   return 0;
}

int fill_buffer(char * bufptr, int size) {
   static char ch = 'A';
   int filled_count;
   
   //printf("size is %d\n", size);
   memset(bufptr, ch, size - 1);
   bufptr[size-1] = '\0';
   if (ch > 122)
   ch = 65;
   if ( (ch >= 65) && (ch <= 122) ) {
      if ( (ch >= 91) && (ch <= 96) ) {
         ch = 65;
      }
   }
   filled_count = strlen(bufptr);
   
   //printf("buffer count is: %d\n", filled_count);
   //printf("buffer filled is:%s\n", bufptr);
   ch++;
   return filled_count;
}

编译和执行步骤

Writing Process: Shared Memory Write: Wrote 1023 bytes
Writing Process: Shared Memory Write: Wrote 1023 bytes
Writing Process: Shared Memory Write: Wrote 1023 bytes
Writing Process: Shared Memory Write: Wrote 1023 bytes
Writing Process: Shared Memory Write: Wrote 1023 bytes
Writing Process: Wrote 5 times
Writing Process: Complete

以下是读取进程的代码(从共享内存读取并写入标准输出–文件:shm_read.c)

链接:https://www.learnfk.com/article-inter_process_communication/inter_process_communication_shared_memory

来源:LearnFk无涯教程网

/* Filename: shm_read.c */
#include<stdio.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>
#include<sys/types.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<stdlib.h>

#define BUF_SIZE 1024
#define SHM_KEY 0x1234

struct shmseg {
   int cnt;
   int complete;
   char buf[BUF_SIZE];
};

int main(int argc, char *argv[]) {
   int shmid;
   struct shmseg *shmp;
   shmid = shmget(SHM_KEY, sizeof(struct shmseg), 0644|IPC_CREAT);
   if (shmid == -1) {
      perror("Shared memory");
      return 1;
   }
   
   //Attach to the segment to get a pointer to it.
   shmp = shmat(shmid, NULL, 0);
   if (shmp == (void *) -1) {
      perror("Shared memory attach");
      return 1;
   }
   
   /* Transfer blocks of data from shared memory to stdout*/
   while (shmp->complete != 1) {
      printf("segment contains :\n\"%s\"\n", shmp->buf);
      if (shmp->cnt == -1) {
         perror("read");
         return 1;
      }
      printf("Reading Process: Shared Memory: Read %d bytes\n", shmp->cnt);
      sleep(3);
   }
   printf("Reading Process: Reading Done, Detaching Shared Memory\n");
   if (shmdt(shmp) == -1) {
      perror("shmdt");
      return 1;
   }
   printf("Reading Process: Complete\n");
   return 0;
}

编译和执行步骤

segment contains :
"AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA
AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA"
Reading Process: Shared Memory: Read 1023 bytes
segment contains :
"BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB
BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB
BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB
BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB
BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB
BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB
BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB
BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB
BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB
BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB
BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB
BBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBBB"
Reading Process: Shared Memory: Read 1023 bytes
segment contains :
"CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC
CCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCCC"
Reading Process: Shared Memory: Read 1023 bytes
segment contains :
"DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD
DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD"
Reading Process: Shared Memory: Read 1023 bytes
segment contains :
"EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE
EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE
EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE
EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE
EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE
EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE
EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE
EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE
EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE
EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE
EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE
EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE"
Reading Process: Shared Memory: Read 1023 bytes
Reading Process: Reading Done, Detaching Shared Memory
Reading Process: Complete

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