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进程 - 共享内存

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。

链接：https://www.learnfk.comhttps://www.learnfk.com/process/inter-process-communication-shared-memory.html

来源：LearnFk无涯教程网

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。

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
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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

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)

/* 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

祝学习愉快！(内容编辑有误？请选中要编辑内容 -> 右键 -> 修改 -> 提交！)

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