Linux进程间通信之共享内存

上一篇我们介绍了进程间通过管道进行通信的方式。本篇继续介绍共享内存通信的方式。

共享内存的概念

通过之前的文章我们知道了不同的进程之间的地址空间等都是完全独立的。那我们有没有办法让两个进程中两份独立的逻辑内存地址对应同一段物理内存呢？

如果可以，那么当这两个进程各自访问自己认为的独立内存的时候，实际上访问的却是同一段物理内存，这样相当于这段物理内存对这两个进程来说就是共享的了。

在Linux下内核下确实提供了这样一套机制，让我们可以把同一段物理内存，同时映射到多个进程的进程地址空间去，这种机制就称为进程间共享内存的通信方式，原理如下图所示：

共享内存的方式因为是在内存里进行的，不需要文件访问，不需要数据拷贝、转移，所以这种方式是最高效内存间通信方式，尤其是数据量较大的时候。接下来我们能就来详细的演示下这种进程间通信方式的用法。

共享内存通信相关函数

Linux下提供了一系列系统函数用来实现共享内存的访问问题，主要有以下几个：

key_t ftok( char * filename, int id )

File to key函数，用来根据文件索引符节点号生成一个share memory的key值。

filename：就时你指定的文件名(该文件必须是存在而且可以访问的)，

Id：子序号，虽然为int，但是只有8个比特被使用(0-255)。

返回值： 当成功执行的时候，一个key_t值将会被返回，否则 -1 被返回。

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

get函数主要用来在物理内存中reserve一段地址作为共享内存区域。如果reserve成功，该函数返回共享内存段标识符ID。
key: 标识符的规则
size:共享存储段的字节数
shmflg: 访问权限，它的作用与文件open函数的mode参数一样， 如设定0666权限。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0666|IPC_CREAT。
返回值：成功返回共享存储的id，失败返回-1

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

Attach函数的作用，用来把reserve到的物理共享内存区域挂载到进程内存空间去。

第一个参数，shm_id是由shmget()函数返回的共享内存标识。

第二个参数，shm_addr指定共享内存连接到当前进程中的地址位置，通常为空，表示让系统来选择共享内存的地址。

第三个参数，shm_flg是一组标志位，通常为0。

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，如果调用失败返回-1.

int shmdt(const void *shmaddr);

Dettach函数的作用，用来把共享物理内存从进程地址空间卸载。

参数shmaddr： shmat()函数返回的共享内存ID。

返回值： 调用成功时返回0，失败时返回-1.

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

Control函数在物理内存attach到进程地址空间后进行控制，如获取共享内存状态，设置共享内存状态等。

shm_id参数： shmget()函数返回的共享内存标识符。

command参数：是要采取的控制命令，包括：

IPC_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。

IPC_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

IPC_RMID：删除共享内存段

buf参数： 一个结构指针，它指向共享内存模式和访问权限的结构。

返回值： 调用成功时返回0，失败时返回-1.

共享内存通信测试代码示例

和有名管道类似，我们写两个可执行程序：

Write_shm.c： 用来往共享内存里写一些测试设备信息。

Read_shm.c： 用来把共享内存里的测试设备信息读出来。

为了有效内存管理，我们需要先顶一个数据结构，这个数据结构告诉读、写双方应该以什么样的方式进行共享内存访问。这里，我们假设了一个设备信息，包含设备号，设备类型，设备名称，如下所示：

typedef struct

{

int device_id;

int device_type;

char device_name[8];

}device;

写入的设备信息为：

设备号：1001

设备类型：1100

设备名称：Kevin

，写完之后我们期待从另一个进程里也可以读到同样的内容。

为了便于阅读，示例代码我们还是放在文章最后，这里先给大家看一下实际运行的结果：

代码如下：

#write_shm.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <errno.h>

typedef struct
		{
			int device_id;
			int device_type;
			char device_name[8];
		}device;


#define PARAM 0666|IPC_CREAT

int main()
{

	int kevin_shm_id = 0;
	key_t kevin_shm_key = 0;
	int shm_size = 4096;
	device *p_device;


	kevin_shm_key = ftok(".", 10);
    if(-1 ==  kevin_shm_key)
    {
    	printf("get shm key failed\n");
    }
    else
    {

    	kevin_shm_id = shmget(kevin_shm_key,shm_size,PARAM);
    	if(-1 ==  kevin_shm_id)
    	{
    		printf("get shm id failed\n");
    		printf("errno is: %d, %s\n",errno, strerror(errno));
    	}
    	else
    	{
    		p_device =(device *)shmat(kevin_shm_id, 0, 0);
    		if(NULL ==  p_device)
    		{
    			printf("attach shm failed\n");
    		}
    		else
    		{
    			(*p_device).device_id = 1001;
    			(*p_device).device_type = 1100;
    			strcpy(p_device->device_name, "kevin");
    			printf("write device info:\n  device_id:%d\n  device_type:%d\n  device_name:%s\n",(*p_device).device_id,(*p_device).device_type,(*p_device).device_name);
        		if(-1 == shmdt(p_device))
        		{
        			printf("dettach failed\n");
        			return -1;
        		}
    		}

    	}
    }

	return 0;

}

#read_shm.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

typedef struct
		{
			int device_id;
			int device_type;
			char device_name[8];
		}device;

#define PARAM 0666|IPC_CREAT


int main()
{

	int kevin_shm_id = 0;
	key_t kevin_shm_key = 0;
	int shm_size = 4096;
	device *p_device;


	kevin_shm_key = ftok(".", 10);
    if(-1 ==  kevin_shm_key)
    {
    	printf("get shm key failed\n");
    }
    else
    {
    	kevin_shm_id = shmget(kevin_shm_key,shm_size,PARAM);
    	if(-1 ==  kevin_shm_id)
    	{
    		printf("get shm id failed\n");
    	}
    	else
    	{
    		p_device =(device *)shmat(kevin_shm_id, 0, 0);
    		if(NULL ==  p_device)
    		{
    			printf("attach shm failed\n");
    		}
    		else
    		{

        		printf("read device info:\n  device_id:%d\n  device_type:%d\n  device_name:%s\n",(*p_device).device_id,(*p_device).device_type,(*p_device).device_name);

        		if(-1 == shmdt(p_device))
        		{
        			printf("dettach failed\n");
        			return -1;
        		}
    		}

    	}
    }

	return 0;

}

好了，关于Linux进程间通信的内容，我们就简单介绍到这里。大家在实际工作中，如果需要使用更多的通信方式可自行查阅相关资料。