操作系统之共享存储区详解(Linux shm)

在学习操作系统的时候，老师讲到进程间通信，今天在这里介绍一下进程通信中的共享存储区通信

一、基本介绍

共享内存分为两种，以下是维基百科上的说法：
硬件术语
共享内存指在多处理器的计算机系统中，可以被不同中央处理器访问的大容量内存。由于多个CPU需要快速访问存储器，这样就要对存储器进行缓存。由于其他处理器可能也要存取，任一缓存数据更新后，共享内存就需要立即更新，否则不同处理器可能用到不同的数据（参见缓存一致和内存一致）。
共享内存的类似方案有分布内存、分布共享内存，用以解决同类问题。

软件术语
在软件中，术语共享内存指可被多个进程存取的内存，一个进程是一段程序的单个运行实例。在这种情况下，共享内存被用作进程间的通讯。

我今天在这里介绍shm共享内存。使用共享内存进行进程通信时需要用到四个函数：shmget(),shmat(),shmdt(),shmctl()。这四个函数的使用需要声明sys/shm.h头文件

#include<sys/shm.h>

二、函数解释

①shmget()
get
函数原型：

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

shmget()用来获得共享内存区域的ID（如果不存在该共享内存区域则创建一个新的共享内存区域）
参数解释
key_t key 共享内存标识符，两个不相关的进程之间我们可以自定义一个key来使用，若为父子进程的话，该标识符可为IPC_PRIVATE（需要在父子进程都可见的地方调用（即在创建子进程之前），否则不能实现内存的共享）。

size_t size 共享内存size。

int shmflag 权限标志，内存模式(mode)
引用自
https://blog.csdn.net/qustdjx/article/details/7708311

shmflg主要和一些标志有关。其中有效的包括IPC_CREAT和IPC_EXCL，它们的功能与open()的O_CREAT和O_EXCL相当。
IPC_CREAT 如果共享内存不存在，则创建一个共享内存，否则打开操作。
IPC_EXCL 只有在共享内存不存在的时候，新的共享内存才建立，否则就产生错误。
如果单独使用IPC_CREAT，shmget()函数要么返回一个已经存在的共享内存的操作符，要么返回一个新建的共享内存的标识符。
如果将IPC_CREAT和IPC_EXCL标志一起使用，shmget()将返回一个新建的共享内存的标识符；如果该共享内存已存在，或者返回-1。
IPC_EXEL标志本身并没有太大的意义，但是和IPC_CREAT标志一起使用可以用来保证所得的对象是新建的，而不是打开已有的对象。
这个可以用，但最好不要用:
对于用户的读取和写入许可指定SHM_R和SHM_W；
(SHM_R>3)和(SHM_W>3)是一组读取和写入许可，而(SHM_R>6)和(SHM_W>6)是全局读取和写入许可。

推荐使用这个:

       可以使用0666|IPC_CREAT，来作为shmflg的值。

返回值

成功返回共享内存的标识符；不成功返回-1，errno储存错误原因。
EINVAL 参数size小于SHMMIN或大于SHMMAX。
EEXIST 预建立key所致的共享内存，但已经存在。
EIDRM 参数key所致的共享内存已经删除。
ENOSPC 超过了系统允许建立的共享内存的最大值(SHMALL )。
ENOENT 参数key所指的共享内存不存在，参数shmflg也未设IPC_CREAT位。
EACCES 没有权限。
ENOMEM 核心内存不足。

②shmat()
attach
函数原型：

void *shmat(int shm_id,const void *shm_addr int shmflg);

shmat()用来启动对这个共享内存区域的访问，连接到用户的虚地址空间。

参数解释
int shm_id 共享进程区域的ID
void *shm_addr
int shmflg 内存的操作模式。如果是SHM_RDONLY的话，就是只读模式。其它的是读写模式。成功时，这个函数返回共享内存的起始地址。失败时返回-1。

③shmdt()
detach
函数原型：

int shmdt(const void *shm_addr);

shmdt()用来删除本进程对这块内存的使用，shmdt()与shmat()相反，是用来禁止本进程访问一块共享内存的函数。

参数解释
void *shm_addr 共享内存区域的起始地址
成功返回0
失败返回-1

④shmctl()
control
函数原型：

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

shmctl() 控制对此共享内存的使用

参数解释
int shm_id 共享内存区域的ID
int command(cmd) 控制命令

IPC_STAT//获得共享内存的状态
IPC_SET//改变共享内存的状态
IPC_RMID//删除共享内存

struct shmid_ds *buf 为一个结构体指针，指向共享内存mode和访问权限的结构。

struct shmid_ds {struct ipc_perm shm_perm;    /* Ownership and permissions */size_t          shm_segsz;   /* Size of segment (bytes) */time_t          shm_atime;   /* Last attach time */time_t          shm_dtime;   /* Last detach time */time_t          shm_ctime;   /* Last change time */pid_t           shm_cpid;    /* PID of creator */pid_t           shm_lpid;    /* PID of last shmat(2)/shmdt(2) */shmatt_t        shm_nattch;  /* No. of current attaches */...
};

上代码：

#include<bits/stdc++.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/time.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>
using namespace std;
#define SHMkey 75
int shmid,p1,p2;
int *addr;
void client()
{shmid=shmget(SHMkey,1024,0777);addr=((int*)shmat(shmid,0,0));for(int i=9;i>=1;i--){while(*addr!=-1);cout<<"(client)message sent"<<endl;*addr=i;cout<<*addr<<endl;sleep(2);}
}
void server()
{shmid=shmget(SHMkey,1024,0777 | IPC_CREAT);addr=((int*)shmat(shmid,0,0));//addr=shmat(shmid,0,0);//连接到用户的虚地址空间do{*addr =-1;while(*addr==-1);//client是否已经读取cout<<"(server)message received"<<*addr<<endl;sleep(2);}while(*addr);shmctl(shmid,IPC_RMID,0);
}
int main()
{p1=fork();if(p1==0){server();}else{p2=fork();if(p2==0){client();}}wait(0);wait(0);return 0;
}

上列代码中，在调用shmat()时，需要用到强制类型转换，因为shmat的函数原型是void*类型，而我们需要得到int型的返回值，需要加上((int *)shmat(shmid,0,0));