一共享内存的作用

二共享内存的实现

2.1 shm系统调用

2.1.1 共享内存的创建

2.1.2 共享内存的关联与分离

2.1.3 共享内存的设置

2.1.4 测试案例

2.2 mmap内存映射

2.2.1 函数的使用

2.2.2 测试案例

一共享内存的作用

共享内存主要是用来实现进程间通讯的一种机制，只不过，需要进程间互斥的访问这段内存，因此需要使用信号量等锁机制来对共享内存进行访问。

二共享内存的实现

共享内存的实现主要由两种方式：一种是shm系统调用；一种是mmap实现共享（因为mmap也可以实现私有映射）的页面映射。

2.1 shm系统调用

shm系统调用主要是在sys/shm.h头文件中。

2.1.1 共享内存的创建

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

函数功能：用于创建或获取用键值为key的一段大小为size的共享内存。

函数参数：

1.key：IPC内核资源（信号量，消息队列，共享内存）的键值，用于在全局唯一的表示该资源。

2.size：申请的共享内存大小。

3.shmflg：主要讲解几个参数：

a.IPC_CREAT和IPC_EXCL与信号量的含义相同；

b.SHM_HUGETLB：用于申请大页面作为共享内存。

c.SHM_NORESERVE：不为该共享内存创建swap交换分区。会导致如果物理内存不够用了，要对该共享内存读写的话会出错并且返回SIGSGV信号量。

创建成功的话，会在内核创建一个shmid_ds类型的结构体变量与该共享内存关联：

struct shmid_ds{IPC_PERM shm_perm;//用于表示该共享内存的键值和权限size_t   shm_segsz;//用于表示该共享内存的大小_time_t  shm_atime;//用于表示最后一次调用shmat()函数的时间_time_t  shm_dtime;//用于表示最后一次调用shmdt()函数的时间_time_t  shm_ctime;//用于表示最后以此调用shmclt()函数的时间_pid_t   shm_cpid;//用于表示创建共享内存的进程PID_pid_t   shm_lpid;//用于表示最后以此调用shmat()函数和shmdt()函数的进程PIDshmatt_t shm_nattach;//用于表示关联到该共享内存的进程个数
};

2.1.2 共享内存的关联与分离

void* shmat(int shm_id, const void* shm_addr, int shmflg);//将共享内存shm_id绑定到进程地址shm_addr
int shmdt(const void* shm_addr);//将进程地址shm_addr与共享内存分离

函数功能：

1.shmat()：主要是将调用进程的内存地址shm_addr与shm_id标识的共享内存关联：

2.shmdt()：主要是讲调用进程的内存地址shm_addr与共享内存分离。

函数参数：

1.shm_id：是shmget()函数返回的用于标识该共享内存的id号；

2.shm_addr：是进程的指针，主要是用于关联共享内存的起始地址：当不设置该参数时，系统自动分配地址（推荐选择）；当设置该参数时，会讲共享内存关联到该内存地址。

3.shmflg：主要参数有如下几个：

a.SHM_RND：当不设置设置该参数时，直接将共享内存关联到shm_addr标识的内存地址（前提是设置了要映射的内存地址shm_addr）；当设置该参数时，会将内存地址向下圆整到SHMLBA的整数倍地址处（SHMLBA是内存页面大小的整数倍）；

b.SHM_RDONLY：该参数主要是设置该进程对共享内存的访问权限为只读；

c.SHM_REMAP：如果该内存地址shm_addr映射了其他共享内存，重新映射该共享内存。

2.1.3 共享内存的设置

int shmctl(int shm_id, int command, shmid_ds* buf);

函数功能：主要是给该共享内存进行相关设置。

具体使用（常用功能）：

1.IPC_STAT：主要是将shm_id标识的共享内存的内核shmid_ds结构体存入函数的参数buf所指向的shmid_ds结构体中；

2.IPC_SET：主要是将buf所指向的shmid_ds结构体赋值给shm_id所标识的共享内存的内核shmid_ds结构体中；

3.IPC_RMID：给该共享内存打上删除的标记，当最后一个与该共享内存关联的进程调用shmdt()函数时，自动删除该共享内存以及与之关联的shmid_ds结构体变量。

2.1.4 测试案例

测试代码:

#include<sys/sem.h>
#include<sys/shm.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>union semun{int val;struct semid_ds* buf;unsigned short int* array;struct seminfo* _buf;
};void pv(int sem_id, int sem_op)
{struct sembuf sem_ops;sem_ops.sem_num = 0;sem_ops.sem_op = sem_op;sem_ops.sem_flg = SEM_UNDO;semop(sem_id, &sem_ops, 1);
}int main()
{char* message1 = "a";char* message2 = "b";printf("开始:\n");//创建信号量int sem_id = semget(IPC_PRIVATE, 1, 0666);//创建信号量集(其中只有一个信号量)union semun sem_un;sem_un.val = 1;//信号量初始值设为1,这里只测试二元信号量semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_un);//创建共享内存int shm_id = shmget(IPC_PRIVATE, 10, 0666);pid_t pid = fork();if(pid < 0)return -1;else if(pid == 0){char* shmaddr = shmat(shm_id, NULL, 0);pv(sem_id, -1);//进入临界区for(int i = 0; i < 5; i++){strcat(shmaddr, message1);sleep(1);printf("%s\n", shmaddr);}pv(sem_id, 1);//退出临界区shmdt(shmaddr);exit(0);//终止子进程}else{char* shmaddr = shmat(shm_id, NULL, 0);pv(sem_id, -1);//进入临界区for(int i = 0; i < 5; i++){strcat(shmaddr, message2);sleep(1);printf("%s\n", shmaddr);}pv(sem_id, 1);//退出临界区shmdt(shmaddr);}waitpid(pid, NULL, 0);//回收子进程semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_un);//删除信号量struct shmid_ds *buf;shmctl(shm_id, IPC_RMID, buf);//最后一个进程分离,删除共享内存及其相应的shmid_ds变量return 0;
}

加锁对共享内存进行读写:

不加锁对共享内存进行读写:

2.2 mmap内存映射

mmap函数主要是用于申请一段内存空间：1.作为共享内存；2.作为私有内存；3.文件映射；4.匿名映射。（1，2和3，4排列组合可以达到不同的效果）。

2.2.1 函数的使用

void* mmap(void*start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset);
int munmap(void*start,size_t length);

函数功能：

1.mmap()：内存映射。

2.munmap()：解除起始地址为start，长度为length的内存映射。

函数参数：

1.start：主要是映射在内存的起始位置，如果为空则系统自动分配（推荐设置方法）；

2.length:映射的长度（文件长度与内存长度对应）；

3.prot：用来设置该段内存的访问权限：

a.PROT_READ：可读；

b.PROT_WRITE：可写；

c.PROT_EXEC：可执行；

d.PROT_NONE：不能被访问。

4.flag：常用参数：

a.MAP_SHARED：作为共享内存进行映射，并且对于该内存的修改会回写到对应的文件中（如果时文件映射的话）；

b.MAP_PRIVATE：作为私有内存进行映射，被调用进程所私有，并且不会回写到对应的文件中；

c.MAP_ANONYMOUS：作为匿名内存进行映射，该段内存不是来自于文件的，所以mmap()函数的后两个参数可以忽略；

d.MAP_HUGETLB：按照大内存页面进行分配。

2.2.2 测试案例

这里我采用的是匿名映射的方式,为了展示的方便,不去映射具体的文件,具体代码如下:

#include<sys/sem.h>
#include<sys/mman.h>
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/wait.h>union semun{int val;struct semid_ds* buf;unsigned short int* array;struct seminfo* _buf;
};void pv(int sem_id, int sem_op)
{struct sembuf sem_ops;sem_ops.sem_num = 0;sem_ops.sem_op = sem_op;sem_ops.sem_flg = SEM_UNDO;semop(sem_id, &sem_ops, 1);
}int main()
{char* message1 = "a";char* message2 = "b";printf("开始:\n");//创建信号量int sem_id = semget(IPC_PRIVATE, 1, 0666);//创建信号量集(其中只有一个信号量)union semun sem_un;sem_un.val = 1;//信号量初始值设为1,这里只测试二元信号量semctl(sem_id, 0, SETVAL, sem_un);//创建共享内存char* mmap_addr = mmap(NULL, 10, PROT_READ|PROT_WRITE|PROT_EXEC, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);//MAP_ANONYMOUS:匿名映射pid_t pid = fork();if(pid < 0)return -1;else if(pid == 0){pv(sem_id, -1);//进入临界区for(int i = 0; i < 5; i++){strcat(mmap_addr, message1);sleep(1);printf("%s\n", mmap_addr);}pv(sem_id, 1);//退出临界区exit(0);//终止子进程}else{pv(sem_id, -1);//进入临界区for(int i = 0; i < 5; i++){strcat(mmap_addr, message2);sleep(1);printf("%s\n", mmap_addr);}pv(sem_id, 1);//退出临界区}waitpid(pid, NULL, 0);//回收子进程semctl(sem_id, 0, IPC_RMID, sem_un);//删除信号量munmap(mmap_addr, 10);return 0;
}

加锁对共享内存进行读写:

不加锁对共享内存进行读写:

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