Linux共享内存

Posted 2020-07-30

1.什么是共享内存
在前面讲虚拟内存机制时，有讲到Linux的内存映射机制：
初始化虚拟内存区域时，会把虚拟内存和磁盘文件对象对应起来。
由于内存映射机制，一个磁盘文件对象可被多个进程共享访问，也可被多个进程私有访问。
当共享访问时，一个进程的对该对象的修改会显示到其他进程。
当私有访问时，修改时会产生保护故障，内核会拷贝这个私有对象，修改的是这个新对象，其他进程指向的是原来的对象。
所以，共享内存是指不同进程访问同一个逻辑内存。

2.共享内存的使用
Linux提供了一组共享内存API，声明在头文件sys/shm.h中。
1)shmget函数：新建共享内存
int shmget(key_t key,size_t size,int shmflg);
key:共享内存键值，可以理解为共享内存的唯一性标记。
size：共享内存大小
shmflag：创建进程和其他进程的读写权限标识。
返回值：相应的共享内存标识符，失败返回-1

2)shmat函数：连接共享内存到当前进程的地址空间
void *shmat(int shm_id,const void *shm_addr,int shmflg);
shm_id：共享内存标识符
shm_addr：指定共享内存连接到当前进程的地址，通常为0，表示由系统来选择。
shmflg：通常为0
返回值：指向共享内存第一个字节的指针，失败返回-1

3)shmdt函数：当前进程分离共享内存
int shmdt(const void *shmaddr);

4)shmctl函数
和信号量的semctl函数类似，控制共享内存
int shmctl(int shm_id,int command,struct shmid_ds *buf);
shm_id：共享内存标识符
command: 有三个值
　　　　　　IPC_STAT:获取共享内存的状态，把共享内存的shmid_ds结构复制到buf中。
　　　　　　IPC_SET:设置共享内存的状态，把buf复制到共享内存的shmid_ds结构。
　　　　　　IPC_RMID:删除共享内存
buf：共享内存管理结构体。具体结构可参考定义。

3.共享内存需要注意的问题
共享内存没有同步机制，当多个进程同时向共享内存读写数据时，我们需要使用互斥锁，读写锁，信号量，条件变量等来确保数据的一致性。

4.共享内存使用示例

我们编写了两个程序shmread.c,shmwrite.c分别对共享内存读和写。
需要做到可写，然后可读，然后可写，然后可读，循环下去，直到写入的是"end"，结束写读进程。
我们使用了前面讲的信号量来处理读写同步的问题。
示例代码如下：

shm_data.h

#pragma once                                                                    
#define TEXT_SZ 2048
struct shared_use_st
{
        char text[TEXT_SZ];
};

shmread.c

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/shm.h>
#include<sys/sem.h>
#include"shmdata.h"
union semun  
{  
    int val;  
    struct semid_ds *buf;  
    unsigned short *arry;  
}; 
int sem_id;
int set_semvalue()  
{  
    //用于初始化信号量，在使用信号量前必须这样做  
    union semun sem_union;  
  
    sem_union.val = 1;  
    if(semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_union) == -1)  
        return 0;  
    return 1;  
}  
  
void del_semvalue()  
{  
    //删除信号量  
    union semun sem_union;  
  
    if(semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_union) == -1)  
        fprintf(stderr, "Failed to delete semaphore\\n");  
}  
int semaphore_p()
{
    struct sembuf sem_b;  
    sem_b.sem_num = 0;  
    sem_b.sem_op = -1;//P()  
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;  
    if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)  
    {  
        fprintf(stderr, "semaphore_p failed\\n");  
        return 0;  
    }  
    return 1;   
}
int semaphore_v()
{
    struct sembuf sem_b;  
    sem_b.sem_num = 0;  
    sem_b.sem_op = 1;//V()  
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;  
    if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)  
    {  
        fprintf(stderr, "semaphore_v failed\\n");  
        return 0;  
    }  
    return 1;  
}
int main()
{
    void *shm=NULL;
    struct shared_use_st *shared;
    int shmid;//共享内存标识符
    //创建共享内存
    shmid = shmget((key_t)1234,sizeof(struct shared_use_st),0666|IPC_CREAT);
    if(shmid==-1)
    {
        fprintf(stderr,"shmget failed\\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    //将共享内存连接到当前进程的地址空间
    shm = shmat(shmid,0,0);
    if(shm==(void*)-1)
    {
        fprintf(stderr,"shmat failed\\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("memory attached at %x\\n",(int)shm);
    //设置共享内存
    shared = (struct shared_use_st*)shm;
    
    //新建信号量
    sem_id = semget((key_t)1234,1,0666|IPC_CREAT);

    //信号量初始化
    if(!set_semvalue())
    {
        fprintf(stderr,"init failed.\\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    while(1)
    {
        if(!semaphore_p())
            exit(EXIT_FAILURE);
        fflush(stdout);
        printf("you wrote:%s",shared->text);
        if(!semaphore_v())
            exit(EXIT_FAILURE);
        if(strncmp(shared->text,"end",3)==0)
            break;
        sleep(1);
    }
    
     //删除信号量
    del_semvalue();

    //把共享内存从当前进程中分离
    if(shmdt(shm)==-1)
    {
        fprintf(stderr,"shmdt failed\\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    //删除共享内存
    if(shmctl(shmid,IPC_RMID,0)==-1)
    {
        fprintf(stderr,"shmctl(IPC_RMID) failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

shmwrite.c

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/shm.h>
#include<sys/sem.h>
#include<string.h>
#include"shmdata.h"
int sem_id;
int semaphore_p()
{
    //对信号量做减1操作，即等待P（sv）  
    struct sembuf sem_b;  
    sem_b.sem_num = 0;  
    sem_b.sem_op = -1;//P()  
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;  
    if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)  
    {  
        fprintf(stderr, "semaphore_p failed\\n");  
        return 0;  
    }  
    return 1;  
}  
int semaphore_v()  
{  
    //这是一个释放操作，它使信号量变为可用，即发送信号V（sv）  
    struct sembuf sem_b;  
    sem_b.sem_num = 0;  
    sem_b.sem_op = 1;//V()  
    sem_b.sem_flg = SEM_UNDO;  
    if(semop(sem_id, &sem_b, 1) == -1)  
    {  
        fprintf(stderr, "semaphore_v failed\\n");  
        return 0;  
    }  
    return 1;  
}  
int main()
{
    sem_id = semget((key_t)1234,1,0666|IPC_CREAT);
    
    void *shm = NULL;
    struct shared_use_st *shared = NULL;
    char buffer[200];
    int shmid;

    //创建共享内存
    shmid = shmget((key_t)1234,sizeof(struct shared_use_st),0666|IPC_CREAT);
    if(shm==-1)
    {
        fprintf(stderr,"shmget failed\\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    //将共享内存连接到当前进程的地址空间
    shm = shmat(shmid,(void*)0,0);
    if(shm == (void*)-1)
    {
        fprintf(stderr,"shmat failed\\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("memory attached at %x\\n",(int)shm);
    //设置共享内存
    shared = (struct shared_use_st*)shm;
    while(1)
    {
        if(!semaphore_p())
            exit(EXIT_FAILURE);
        //向共享内存中写入数据
        fflush(stdout);
        printf("Enter some text...\\n");
        fgets(buffer,200,stdin);
        strncpy(shared->text,buffer,TEXT_SZ);
        if(!semaphore_v())
            exit(EXIT_FAILURE);
        if(strncmp(shared->text,"end",3)==0)
            break;
        sleep(1);
    }
    //把共享内存从当前进程中分离
    if(shmdt(shm)==-1)
    {
        fprintf(stderr,"shmdt failed\\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    sleep(2);
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

输出结果：

5.共享内存的优缺点
1)进程间通信方便，快速。
2)没有提供同步机制，我们需要使用互斥锁，读写锁，信号量，条件变量等来确保数据的一致性。