进程间通信(IPC)之共享内存

Posted 2023-02-20 Xiao__Tian__

★IPC方法包括管道（PIPE）、消息队列（Message_Queue）、旗语、共用内存（ShareMemory）以及套接字

（Socket）。进程间通信主要包括了管道、系统IPC（包括了消息队列、信号以及共享存储）、套接字（Socket）。

此文将叙述共享内存的相关内容。

在此之前先来看看关于进程的内存映像的相关内容。

一、进程的内存映像（区别于可执行程序文件）：

指的是内核在内存中如何存放可执行程序文件。两者的区别表现在三个方面：①可执行程序是位于硬盘上的，而内存映像位

于内存上； ②可执行程序没有堆栈，因为只有当程序被加载到内存上的时候才会分配相应的堆栈；③可执行程序是静态的，因为它

还没运行，但是内存映像是动态的，数据是随着运行过程改变的。

Linux下的C程序生成进程的内存映像主要由四个步骤组成：预编译、编译、汇编、链接。编译器gcc经过预编译、编译、汇编

3个步骤将源程序文件转换成目标文件。如果程序有多个目标文件或程序中使用了库函数，则编译器还需要将所有目标文件及所需的

库文件链接起来，最后生成可执行程序。当程序执行时，操作系统将可执行程序复制到内存中。其布局如下图：

注：其中正文所在的区域为只读代码和只读数据区域，也就是通常所说的代码段，用来存放程序的执行代码，包括了

只读的常数变量，例如：字符串常量等。而未初始化的数据区域称为BSS（Block Started by Symbol）段，用来存

放未初始化的全局变量，属于静态内存分配的一部分。初始化的数据区域称为数据段，用来存放已初始化的全局变

量，也属于静态内存分配的一部分，所以一般习惯地将BSS段和数据段统称为数据段。

二、不同进程读取同一数据块时的地址分配

注：图中的地址空间为虚拟空间地址，可以看到不同的进程PCB1和PCB2读取相同的地址空间处时，通过页表和也表

描述符mmu分别指向了不同的物理地址，所以尽管表面上看起来两个进程访问的同一地址，其实际映射得到的物理

地址却并非如此。

三、共享内存

共享内存是指被多个进程共享的部分物理内存。一个进程向共享内存区域一旦写入了数据，共享这个内存区域

的所有进程就可以直接看到其中的内容。共享内存允许两个不相关的进程访问同一个逻辑内存，是两个正在运行的进

程之间共享和传递数据的一种非常有效的方式。进程可以将同一段共享内存连接到它们自己的地址空间中，所有进程

都可以访问共享内存中的地址，也就是说一旦进程改动共享内存中的数据时，会影响到访问该区域的其他进程。

★关于共享内存函数的声明，在头文件sys/shm.h中。

注：图中的红框部分表明了共享内存(shm)与进程间通信的类属关系，同样拥有ipc perm的结构体。白框则表明了共

享内存的四个常用操作函数。

1.shmat函数：

第一次创建完共享内存时，不能被任何进程访问，shmat函数的作用就是用来启动对该共享内存的访问，并把共

享内存连接到当前进程的地址空间。其原型如下图：

注：可以看到，该函数中有三个形参，shm_id是由shmget函数返回的共享内存标识；shm_addr指定共享内存连接

到当前进程中的地址位置，一般为空，表示让系统来选择共享内存的地址；shm_flg是一组标志位，通常为0。其返

回值调用成功时返回一个指向共享内存第一个字节的指针，如果调用失败则返回-1。

2.shmctl函数：

与信号量的semctl函数一样，用来控制共享内存，其原型如下图：

   

注：shmctl函数中同样具有三个形参，shm_id是shmget函数返回的共享内存标识符；command是要采取的操

作，可取三个值 ：①IPC_STAT：把shmid_ds结构中的数据设置为共享内存的当前关联值，即用共享内存的当前关

联值覆盖shmid_ds的值；②IPC_SET：如果进程有足够的权限，就把共享内存的当前关联值设置为shmid_ds结构中

给出的值；③IPC_RMID：删除共享内存段。buf是一个结构指针，它指向共享内存模式和访问权限的结构。

3.shmdt函数：

用于将共享内存从当前进程中分离。（注：将共享内存分离并不是删除它，只是使该共享内存对当前进程不再

可用）。其原型见下图：

注：参数shmaddr是shmat函数返回的地址指针，其返回值调用成功时返回0，失败时返回-1。

4.shmget函数：

用于创建共享内存，其函数原型见下图：

注：该函数拥有三个形参，key与信号量的semget函数一样，程序需要提供一个参数key（非0整数），有效地为共

享内存段命名，shmget函数成功时返回一个与key相关的共享内存标识符（非负整数），用于后续的共享内存函

数，调用失败则返回-1；size以字节为单位指定需要共享的内存容量；shmflg是权限标志，它的作用与open函数的

mode参数一样，如果要想在key标识的共享内存不存在时，创建它的话，可以与IPC_CREAT做“或”操作。共享内

存的权限标志与文件的读写权限一样。

▲不相关的进程可以通过该函数的返回值访问同一共享内存，它代表程序可能要使用的某个资源，程序对所有共享内

存的访问都是间接的，程序先通过调用shmget函数并提供一个键，再由系统生成一个相应的共享内存标识符

（shmget函数的返回值），只有shmget函数才直接使用信号量键，所有其他的信号量函数使用由semget函数返回

的信号量标识符。

★练习：创建两个进程，在A进程中创建一个共享内存，并向其写入数据，通过B进程从共享内存中读取数据。

1.shm_comm.h文件：

2.read_process.c文件：

3.write_process.c文件：

4Makefile自动化编译文件：

★运行结果：

★总结：

共享内存特点：

①进程间通信中速度最快的，且需要被挂起。原因：写在共享内存区的文件中的数据内容可以直接由共享双方直接访问，没有数据拷贝的时间消耗，所以速度很快。

②不提供任何的同步和互斥机制，须用户自主维护（可通过信号量及设置同步机制等手段）。

③接口较为简单。