1.概念

共享記憶體區，按標準可分為Posix共享記憶體區和System V共享記憶體區，兩者在概念上類似。

Posix 表示可移植作業系統介面（Portable Operating System Interface ，縮寫為 POSIX ），POSIX標準定義了作業系統應該為應用程式提供的介面標準，是IEEE為要在各種UNIX作業系統上執行的軟體而定義的一系列API標準的總稱，其正式稱呼為IEEE 1003，而國際標準名稱為ISO/IEC 9945。

System V，曾經也被稱為 AT&T System V，是Unix作業系統眾多版本中的一支。它最初由 AT&T 開發，在1983年第一次釋出。一共發行了4個 System V 的主要版本：版本1、2、3 和 4。

2.Posix.1提供了兩種在無親緣關係程序間共享記憶體區的方法

a）記憶體對映檔案(memory-mapped file)，由open函式開啟，由mmap函式把所得到的描述符對映到當前程序空間地址中的一個檔案。

b）共享記憶體區物件(shared-memory object)，由shm_open函式開啟一個Posix.1 IPC名字，所返回的描述符由mmap函式對映到當前程序的地址空間。

這兩種共享記憶體區的區別在於共享的資料的載體(底層支撐物件)不一樣:

記憶體對映檔案的資料載體是物理檔案。
共享記憶體區物件，也就是共享的資料載體是實體記憶體。

3.我們經常說的共享記憶體，一般是指共享記憶體區物件，也就是共享實體記憶體。

4.關鍵函式說明

Posix共享記憶體區涉及以下兩個步驟要求。

（1）指定一個名字引數呼叫shm_open，以建立一個新的共享記憶體區物件或開啟一個已存在的共享記憶體區物件。

（2）呼叫mmap把這個共享記憶體區對映到呼叫程序的地址空間。

傳遞給shm_open函式的名字引數隨後由希望共享該記憶體區的任何其他程序使用。

SHM_OPEN(3)                Linux Programmer's Manual               SHM_OPEN(3)

NAME
       shm_open,  shm_unlink  -  create/open  or  unlink  POSIX  shared memory
       objects

SYNOPSIS
       #include <sys/mman.h>
       #include <sys/stat.h>        /* For mode constants */
       #include <fcntl.h>           /* For O_* constants */

       int shm_open(const char *name, int oflag, mode_t mode);

       Link with -lrt.
 

返回：若成功則非負描述符，若出錯則為-1

oflag引數與open函式的flags一樣，必須含有O_RDONLY或O_RDWR標準。

mode引數與open函式的mode一樣，是指定許可權位。如果沒有指定O_CREAT標誌，那麼該引數可以指定為0。

shm_unlink函式刪除一個共享記憶體區物件的名字，刪除一個名字不會影響對於其底層支撐物件的現有引用，直到對於該物件的引用全部關閉為止。

SHM_OPEN(3)                Linux Programmer's Manual               SHM_OPEN(3)

NAME
       shm_open,  shm_unlink  -  create/open  or  unlink  POSIX  shared memory
       objects

SYNOPSIS
       #include <sys/mman.h>
       #include <sys/stat.h>        /* For mode constants */
       #include <fcntl.h>           /* For O_* constants */

       int shm_unlink(const char *name);

       Link with -lrt.

返回：若成功則為0，若出錯則為-1

處理mmap的時候，普通檔案或共享記憶體區物件的大小都可以通過呼叫ftruncate函式修改。

TRUNCATE(2)                Linux Programmer's Manual               TRUNCATE(2)

NAME
       truncate, ftruncate - truncate a file to a specified length

SYNOPSIS
       #include <unistd.h>
       #include <sys/types.h>

       int truncate(const char *path, off_t length);
       int ftruncate(int fd, off_t length);

返回：若成功則為0，若出錯則為-1

我們呼叫ftruncate來指定新建立的共享記憶體區物件的大小，或者修改已存在的物件的大小。當開啟一個已存在的共享記憶體區物件時，我們可呼叫fstat來獲取有關該物件的資訊。

STAT(2)                    Linux Programmer's Manual                   STAT(2)

NAME
       stat, fstat, lstat - get file status

SYNOPSIS
       #include <sys/types.h>
       #include <sys/stat.h>
       #include <unistd.h>

       int fstat(int fd, struct stat *buf);

返回：若成功則為0，若出錯則為-1

stat結構有12個或以上的成員，然而當fd指代一個記憶體共享區物件時，只有四個成員含有資訊。

struct stat {
  mode_t    st_mode;    /* protection */
  uid_t     st_uid;     /* user ID of owner */
  gid_t     st_gid;     /* group ID of owner */
  off_t     st_size;    /* total size, in bytes */
};

/* mmap函式把一個檔案或者一個Posix共享記憶體區物件對映至呼叫程序的地址空間 */

MMAP(2)                    Linux Programmer's Manual                   MMAP(2)  
  
NAME  
       mmap, munmap - map or unmap files or devices into memory  
  
SYNOPSIS  
       #include <sys/mman.h>  
  
       void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,  
                  int fd, off_t offset);  
  
       See NOTES for information on feature test macro requirements.

返回：若成功則為被對映區的起始地址，若出錯則為MAP_FAILED

其中addr可以指定描述符fd應被對映到程序內空間的起始地址，它通常被指定為一個空指標，這樣告訴核心自己去選擇起始地址，無論哪種情況下，該函式的返回值都是描述符fd所對映到記憶體區的其實地址。這裡需要注意的是，檔案需要初始化長度，否則對記憶體操作時會產生SIGBUS資訊（硬體錯誤）。

length是對映到呼叫程序地址空間中位元組數，它從被對映檔案開頭offset個位元組出開始算。offset通常設定為0。

記憶體對映區的保護由port引數指定，通常設定為PROT_READ | PROT_WRITE（可讀與可寫）：

PORT_READ    -> 可讀

PORT_WRITE  -> 可寫

PORT_EXEC    -> 可執行

PORT_NONE   -> 資料不可訪問

flags用於設定記憶體對映區的資料被修改時，是否改變其底層支撐物件(這裡的物件是檔案)，MAP_SHARED和MAP_PRIVATE必須指定一個

MAP_SHARED  -> 變動是共享的

MAP_PRIVATE  -> 變動是私自的

MAP_FIXED        -> 準確的解析addr引數

舉例：當flags設定為MAP_SHARED時，在記憶體中對檔案的修改會同步到物理檔案中，可通過less檢視

當flags設定為MAP_PRIVATE時，在記憶體中對檔案的修改不會同步到物理檔案中，可通過less檢視

mmap成功返回後，fd引數可以關閉。該操作對由於mmap建立的對映關係沒有影響。

/* 從某個程序空間刪除一個對映關係 */

MMAP(2)                    Linux Programmer's Manual                   MMAP(2)  
  
NAME  
       mmap, munmap - map or unmap files or devices into memory  
  
SYNOPSIS  
       #include <sys/mman.h>  
  
       int munmap(void *addr, size_t length);  
  
       See NOTES for information on feature test macro requirements.  

返回：若成功則為0，若出錯則為-1

其中addr引數是由mmap返回的地址，len是對映區的大小。再次訪問這些地址將導致向呼叫程序產生一個SIGSEGV訊號。

5.特別提醒
共享記憶體並未提供同步機制，也就是說，在第一個程序結束對共享記憶體的寫操作之前，並無自動機制可以阻止第二個程序開始對它進行讀寫。所以我們通常需要同步機制控制對共享記憶體的訪問，比如訊號量

例子1，建立修改輸出刪除共享記憶體區。

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>

#define MAXSIZE 1024*1024*16   /*共享記憶體的大小，建議設定成記憶體頁的整數倍*/
#define FILENAME "shm.test"

int main()
{
    /* 建立共享物件,可以檢視/dev/shm目錄 */
    int fd = shm_open(FILENAME, O_CREAT | O_TRUNC | O_RDWR, 0777);
    if (fd == -1) {
        perror("open failed:");
        exit(1);
    }

    /* 調整大小 */
    if (ftruncate(fd, MAXSIZE) == -1) {
        perror("ftruncate failed:");
        exit(1);
    }

    /* 獲取屬性 */
    struct stat buf;
    if (fstat(fd, &buf) == -1) {
        perror("fstat failed:");
        exit(1);
    }
    printf("the shm object size is %ld\n", buf.st_size);

    sleep(30);

    /* 如果引用計數為0，系統釋放記憶體物件 */
    if (shm_unlink(FILENAME) == -1) {
        perror("shm_unlink failed:");
        exit(1);
    }
    printf("shm_unlink %s success\n", FILENAME);

    return 0;
}

編譯執行：

例子2，一個程序寫，一個程序讀：

寫程序：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define MAXSIZE 1024*4   /*共享記憶體的大小，建議設定成記憶體頁的整數倍*/
#define FILENAME "shm.test"

int main()
{
    /* 建立共享物件,可以檢視/dev/shm目錄 */
    int fd = shm_open(FILENAME, O_CREAT | O_TRUNC | O_RDWR, 0777);
    if (fd == -1) {
        perror("open failed:");
        exit(1);
    }

    /* 調整大小 */
    if (ftruncate(fd, MAXSIZE) == -1) {
        perror("ftruncate failed:");
        exit(1);
    }

    /* 獲取屬性 */
    struct stat buf;
    if (fstat(fd, &buf) == -1) {
        perror("fstat failed:");
        exit(1);
    }
    printf("the shm object size is %ld\n", buf.st_size);

    /* 建立對映關係 */
    char *ptr = (char*)mmap(NULL, MAXSIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (ptr == MAP_FAILED) {
        perror("mmap failed:");
        exit(1);
    }
    printf("mmap %s success\n", FILENAME);
    close(fd); /* 關閉套接字 */

    /* 寫入資料 */
    char *content = "hello world";
    strncpy(ptr, content, strlen(content));

    sleep(30);

    return 0;
}

讀程序：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define FILENAME "shm.test"

int main()
{
    /* 建立共享物件,可以檢視/dev/shm目錄 */
    int fd = shm_open(FILENAME, O_RDONLY, 0);
    if (fd == -1) {
        perror("open failed:");
        exit(1);
    }

    /* 獲取屬性 */
    struct stat buf;
    if (fstat(fd, &buf) == -1) {
        perror("fstat failed:");
        exit(1);
    }
    printf("the shm object size is %ld\n", buf.st_size);

    /* 建立對映關係 */
    char *ptr = (char*)mmap(NULL, buf.st_size, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (ptr == MAP_FAILED) {
        perror("mmap failed:");
        exit(1);
    }
    printf("mmap %s success\n", FILENAME);
    close(fd); /* 關閉套接字 */

    printf("the read msg is:%s\n", ptr);

    sleep(30);

    return 0;
}

由於只有一個程序寫，而且寫程序先執行，所以不需要進行同步。

編譯執行：

參考：《unix網路程式設計》·卷2

End;