共享內(nèi)存

顧名思義四康，共享內(nèi)存就是允許兩個(gè)不相關(guān)的進(jìn)程訪問同一片物理內(nèi)存愧膀。共享內(nèi)存是在兩個(gè)正在運(yùn)行的進(jìn)程之間共享和傳遞數(shù)據(jù)的一種非常有效的方式。不同進(jìn)程之間共享的內(nèi)存通常安排為同一段物理內(nèi)存架忌。進(jìn)程可以將同一段共享內(nèi)存連接到它們自己的地址空間中壹店，所有進(jìn)程都可以訪問共享內(nèi)存中的地址，就好像它們是由用C語言函數(shù)malloc分配的內(nèi)存一樣求泰。而如果某個(gè)進(jìn)程向共享內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)央渣，所做的改動將立即影響到可以訪問同一段共享內(nèi)存的任何其他進(jìn)程。

特別提醒：共享內(nèi)存并未提供同步機(jī)制渴频，也就是說芽丹，在第一個(gè)進(jìn)程結(jié)束對共享內(nèi)存的寫操作之前，并無自動機(jī)制可以阻止第二個(gè)進(jìn)程開始對它進(jìn)行讀取卜朗。所以我們通常需要用其他的機(jī)制來同步對共享內(nèi)存的訪問

共享內(nèi)存的使用

shmget函數(shù)

該函數(shù)用來創(chuàng)建共享內(nèi)存

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

第一個(gè)參數(shù)拔第，與信號量的semget函數(shù)一樣，程序需要提供一個(gè)參數(shù)key（非0整數(shù)）场钉，它有效地為共享內(nèi)存段命名蚊俺，shmget函數(shù)成功時(shí)返回一個(gè)與key相關(guān)的共享內(nèi)存標(biāo)識符（非負(fù)整數(shù)），用于后續(xù)的共享內(nèi)存函數(shù)逛万。調(diào)用失敗返回-1.

不相關(guān)的進(jìn)程可以通過該函數(shù)的返回值訪問同一共享內(nèi)存泳猬，它代表程序可能要使用的某個(gè)資源，程序?qū)λ泄蚕韮?nèi)存的訪問都是間接的宇植，程序先通過調(diào)用shmget函數(shù)并提供一個(gè)鍵得封，再由系統(tǒng)生成一個(gè)相應(yīng)的共享內(nèi)存標(biāo)識符（shmget函數(shù)的返回值）。
第二個(gè)參數(shù)指郁，size以字節(jié)為單位指定需要共享的內(nèi)存容量
第三個(gè)參數(shù)忙上，shmflg是權(quán)限標(biāo)志，它的作用與open函數(shù)的mode參數(shù)一樣闲坎，如果要想在key標(biāo)識的共享內(nèi)存不存在時(shí)疫粥，創(chuàng)建它的話茬斧，可以與IPC_CREAT做或操作。共享內(nèi)存的權(quán)限標(biāo)志與文件的讀寫權(quán)限一樣梗逮，舉例來說项秉，0644,它表示允許一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建的共享內(nèi)存被內(nèi)存創(chuàng)建者所擁有的進(jìn)程向共享內(nèi)存讀取和寫入數(shù)據(jù)，同時(shí)其他用戶創(chuàng)建的進(jìn)程只能讀取共享內(nèi)存库糠。

shmat函數(shù)

第一次創(chuàng)建完共享內(nèi)存時(shí)伙狐，它還不能被任何進(jìn)程訪問涮毫，shmat函數(shù)的作用就是用來啟動對該共享內(nèi)存的訪問瞬欧，并把共享內(nèi)存連接到當(dāng)前進(jìn)程的地址空間。它的原型如下：

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

第一個(gè)參數(shù)罢防，shm_id是由shmget函數(shù)返回的共享內(nèi)存標(biāo)識艘虎。
第二個(gè)參數(shù)，shm_addr指定共享內(nèi)存連接到當(dāng)前進(jìn)程中的地址位置咒吐，通常為空野建，表示讓系統(tǒng)來選擇共享內(nèi)存的地址。
第三個(gè)參數(shù)恬叹，shm_flg是一組標(biāo)志位候生，通常為0。

調(diào)用成功時(shí)返回一個(gè)指向共享內(nèi)存第一個(gè)字節(jié)的指針绽昼，如果調(diào)用失敗返回-1.

shmdt函數(shù)

該函數(shù)用于將共享內(nèi)存從當(dāng)前進(jìn)程中分離唯鸭。注意，將共享內(nèi)存分離并不是刪除它硅确，只是使該共享內(nèi)存對當(dāng)前進(jìn)程不再可用目溉。它的原型如下：

int shmdt(const void *shmaddr);  

參數(shù)shmaddr是shmat函數(shù)返回的地址指針，調(diào)用成功時(shí)返回0菱农，失敗時(shí)返回-1.

4缭付、shmctl函數(shù)
與信號量的semctl函數(shù)一樣，用來控制共享內(nèi)存循未，它的原型如下：

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

第一個(gè)參數(shù)陷猫，shm_id是shmget函數(shù)返回的共享內(nèi)存標(biāo)識符。
第二個(gè)參數(shù)的妖，command是要采取的操作绣檬，它可以取下面的三個(gè)值 ：
IPC_STAT：把shmid_ds結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)設(shè)置為共享內(nèi)存的當(dāng)前關(guān)聯(lián)值，即用共享內(nèi)存的當(dāng)前關(guān)聯(lián)值覆蓋shmid_ds的值羔味。
IPC_SET：如果進(jìn)程有足夠的權(quán)限河咽，就把共享內(nèi)存的當(dāng)前關(guān)聯(lián)值設(shè)置為shmid_ds結(jié)構(gòu)中給出的值
IPC_RMID：刪除共享內(nèi)存段

第三個(gè)參數(shù)，buf是一個(gè)結(jié)構(gòu)指針赋元，它指向共享內(nèi)存模式和訪問權(quán)限的結(jié)構(gòu)忘蟹。
shmid_ds結(jié)構(gòu)至少包括以下成員：

struct shmid_ds  
{  
    uid_t shm_perm.uid;  
    uid_t shm_perm.gid;  
    mode_t shm_perm.mode;  
};  

使用共享內(nèi)存進(jìn)行進(jìn)程間通信

說了這么多飒房，又到了實(shí)戰(zhàn)的時(shí)候了。下面就以兩個(gè)不相關(guān)的進(jìn)程來說明進(jìn)程間如何通過共享內(nèi)存來進(jìn)行通信媚值。其中一個(gè)文件shmread.c創(chuàng)建共享內(nèi)存狠毯，并讀取其中的信息，另一個(gè)文件shmwrite.c向共享內(nèi)存中寫入數(shù)據(jù)褥芒。為了方便操作和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一嚼松，為這兩個(gè)文件定義了相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，定義在文件shmdata.c中锰扶。結(jié)構(gòu)shared_use_st中的written作為一個(gè)可讀或可寫的標(biāo)志献酗，非0：表示可讀，0表示可寫坷牛，text則是內(nèi)存中的文件罕偎。

shmdata.c的源代碼如下：

#ifndef _SHMDATA_H_HEADER  
#define _SHMDATA_H_HEADER  
#define TEXT_SZ 2048  
  
struct shared_use_st  
{  
    int written;//作為一個(gè)標(biāo)志，非0：表示可讀京闰，0表示可寫  
    char text[TEXT_SZ];//記錄寫入和讀取的文本  
}; 
  
#endif  

源文件shmread.c的源代碼如下：

#include <unistd.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <stdio.h>  
#include <sys/shm.h>  
#include "shmdata.h"  
  
int main()  
{  
    int running = 1;//程序是否繼續(xù)運(yùn)行的標(biāo)志  
    void *shm = NULL;//分配的共享內(nèi)存的原始首地址  
    struct shared_use_st *shared;//指向shm  
    int shmid;//共享內(nèi)存標(biāo)識符  
    //創(chuàng)建共享內(nèi)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);  
    }  
    //將共享內(nèi)存連接到當(dāng)前進(jìn)程的地址空間  
    shm = shmat(shmid, 0, 0);  
    if(shm == (void*)-1)  
    {  
        fprintf(stderr, "shmat failed\n");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
    printf("\nMemory attached at %X\n", (int)shm);  
    //設(shè)置共享內(nèi)存  
    shared = (struct shared_use_st*)shm;  
    shared->written = 0;  
    while(running)//讀取共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)  
    {  
        //沒有進(jìn)程向共享內(nèi)存定數(shù)據(jù)有數(shù)據(jù)可讀取  
        if(shared->written != 0)  
        {  
            printf("You wrote: %s", shared->text);  
            sleep(rand() % 3);  
            //讀取完數(shù)據(jù)颜及，設(shè)置written使共享內(nèi)存段可寫  
            shared->written = 0;  
            //輸入了end，退出循環(huán)（程序）  
            if(strncmp(shared->text, "end", 3) == 0)  
                running = 0;  
        }  
        else//有其他進(jìn)程在寫數(shù)據(jù)蹂楣，不能讀取數(shù)據(jù)  
            sleep(1);  
    }  
    //把共享內(nèi)存從當(dāng)前進(jìn)程中分離  
    if(shmdt(shm) == -1)  
    {  
        fprintf(stderr, "shmdt failed\n");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
    //刪除共享內(nèi)存  
    if(shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1)  
    {  
        fprintf(stderr, "shmctl(IPC_RMID) failed\n");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
    exit(EXIT_SUCCESS);  
}  

源文件shmwrite.c的源代碼如下：

#include <unistd.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <stdio.h>  
#include <string.h>  
#include <sys/shm.h>  
#include "shmdata.h"  
  
int main()  
{  
    int running = 1;  
    void *shm = NULL;  
    struct shared_use_st *shared = NULL;  
    char buffer[BUFSIZ + 1];//用于保存輸入的文本  
    int shmid;  
    //創(chuàng)建共享內(nèi)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);  
    }  
    //將共享內(nèi)存連接到當(dāng)前進(jìn)程的地址空間  
    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);  
    //設(shè)置共享內(nèi)存  
    shared = (struct shared_use_st*)shm;  
    while(running)//向共享內(nèi)存中寫數(shù)據(jù)  
    {  
        //數(shù)據(jù)還沒有被讀取俏站，則等待數(shù)據(jù)被讀取,不能向共享內(nèi)存中寫入文本  
        while(shared->written == 1)  
        {  
            sleep(1);  
            printf("Waiting...\n");  
        }  
        //向共享內(nèi)存中寫入數(shù)據(jù)  
        printf("Enter some text: ");  
        fgets(buffer, BUFSIZ, stdin);  
        strncpy(shared->text, buffer, TEXT_SZ);  
        //寫完數(shù)據(jù)，設(shè)置written使共享內(nèi)存段可讀  
        shared->written = 1;  
        //輸入了end痊土，退出循環(huán)（程序）  
        if(strncmp(buffer, "end", 3) == 0)  
            running = 0;  
    }  
    //把共享內(nèi)存從當(dāng)前進(jìn)程中分離  
    if(shmdt(shm) == -1)  
    {  
        fprintf(stderr, "shmdt failed\n");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
    sleep(2);  
    exit(EXIT_SUCCESS);  
}  

再來看看運(yùn)行的結(jié)果：


分析：
1肄扎、程序shmread創(chuàng)建共享內(nèi)存，然后將它連接到自己的地址空間施戴。在共享內(nèi)存的開始處使用了一個(gè)結(jié)構(gòu)struct_use_st反浓。該結(jié)構(gòu)中有個(gè)標(biāo)志written，當(dāng)共享內(nèi)存中有其他進(jìn)程向它寫入數(shù)據(jù)時(shí)赞哗，共享內(nèi)存中的written被設(shè)置為0雷则，程序等待。當(dāng)它不為0時(shí)肪笋，表示沒有進(jìn)程對共享內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)月劈，程序就從共享內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)并輸出，然后重置設(shè)置共享內(nèi)存中的written為0藤乙，即讓其可被shmwrite進(jìn)程寫入數(shù)據(jù)猜揪。

2、程序shmwrite取得共享內(nèi)存并連接到自己的地址空間中坛梁。檢查共享內(nèi)存中的written而姐，是否為0，若不是划咐，表示共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)還沒有被完拴念，則等待其他進(jìn)程讀取完成钧萍，并提示用戶等待。若共享內(nèi)存的written為0政鼠，表示沒有其他進(jìn)程對共享內(nèi)存進(jìn)行讀取风瘦，則提示用戶輸入文本，并再次設(shè)置共享內(nèi)存中的written為1公般，表示寫完成万搔，其他進(jìn)程可對共享內(nèi)存進(jìn)行讀操作。

四官帘、關(guān)于前面的例子的安全性討論
這個(gè)程序是不安全的瞬雹，當(dāng)有多個(gè)程序同時(shí)向共享內(nèi)存中讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，問題就會出現(xiàn)遏佣⊥诰妫可能你會認(rèn)為揽浙，可以改變一下written的使用方式状婶，例如，只有當(dāng)written為0時(shí)進(jìn)程才可以向共享內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)馅巷，而當(dāng)一個(gè)進(jìn)程只有在written不為0時(shí)才能對其進(jìn)行讀取膛虫，同時(shí)把written進(jìn)行加1操作，讀取完后進(jìn)行減1操作钓猬。這就有點(diǎn)像文件鎖中的讀寫鎖的功能稍刀。咋看之下，它似乎能行得通敞曹。但是這都不是原子操作账月，所以這種做法是行不能的。試想當(dāng)written為0時(shí)澳迫，如果有兩個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問共享內(nèi)存局齿，它們就會發(fā)現(xiàn)written為0，于是兩個(gè)進(jìn)程都對其進(jìn)行寫操作橄登，顯然不行抓歼。當(dāng)written為1時(shí)，有兩個(gè)進(jìn)程同時(shí)對共享內(nèi)存進(jìn)行讀操作時(shí)也是如些拢锹，當(dāng)這兩個(gè)進(jìn)程都讀取完是谣妻，written就變成了-1.

要想讓程序安全地執(zhí)行，就要有一種進(jìn)程同步的進(jìn)制卒稳，保證在進(jìn)入臨界區(qū)的操作是原子操作蹋半。例如，可以使用前面所講的信號量來進(jìn)行進(jìn)程的同步充坑。因?yàn)樾盘柫康牟僮鞫际窃有缘?/strong>减江。