共享記憶體

共享記憶體是程序間通訊中最簡單的方式之中的一個。

共享記憶體是系統出於多個程序之間通訊的考慮，而預留的的一塊記憶體區。

共享記憶體同意兩個或很多其他程序訪問同一塊記憶體，就如同 malloc() 函式向不同程序返回了指向同一個實體記憶體區域的指標。

當一個程序改變了這塊地址中的內容的時候，其他程序都會察覺到這個更改。

關於共享記憶體

當一個程式載入進記憶體後，它就被分成叫作頁的塊。

通訊將存在記憶體的兩個頁之間或者兩個獨立的程序之間。

總之，當一個程式想和另外一個程式通訊的時候。那記憶體將會為這兩個程式生成一塊公共的記憶體區域。這塊被兩個程序分享的記憶體區域叫做共享記憶體

由於全部程序共享同一塊記憶體，共享記憶體在各種程序間通訊方式中具有最高的效率。

訪問共享記憶體區域和訪問程序獨有的記憶體區域一樣快，並不須要通過系統呼叫或者其他須要切入核心的過程來完畢。同一時候它也避免了對資料的各種不必要的複製。

假設沒有共享記憶體的概念。那一個程序不能存取另外一個程序的記憶體部分。因而導致共享資料或者通訊失效。由於系統核心沒有對訪問共享記憶體進行同步，您必須提供自己的同步措施。

解決這些問題的經常用法是通過使用訊號量進行同步。

只是，我們的程式中僅僅有一個程序訪問了共享記憶體。因此在集中展示了共享記憶體機制的同一時候。我們避免了讓程式碼被同步邏輯搞得混亂不堪。

為了簡化共享資料的完整性和避免同一時候存取資料，核心提供了一種專門存取共享記憶體資源的機制。這稱為相互排斥體

比如。在資料被寫入之前不同意程序從共享記憶體中讀取資訊、不同意兩個程序同一時候向同一個共享記憶體地址寫入資料等。

當一個程序想和另外一個程序通訊的時候，它將按下面順序執行：

• 獲取mutex物件，鎖定共享區域。

• 將要通訊的資料寫入共享區域。

• 釋放mutex物件。

當一個程序從從這個區域讀資料時候，它將反覆相同的步驟，僅僅是將第二步變成讀取。

記憶體模型

要使用一塊共享記憶體

• 程序必須首先分配它

• 隨後須要訪問這個共享記憶體塊的每一個程序都必須將這個共享記憶體繫結到自己的地址空間中

• 當完畢通訊之後，全部程序都將脫離共享記憶體

  ，而且由一個程序釋放該共享記憶體塊

在/proc/sys/kernel/資料夾下，記錄著共享記憶體的一些限制，如一個共享記憶體區的最大位元組數shmmax。系統範圍內最大共享記憶體區識別符號數shmmni等，能夠手工對其調整，但不推薦這樣做。

理解 Linux 系統記憶體模型能夠有助於解釋這個繫結的過程。

linux系統記憶體模型

在 Linux 系統中。每一個程序的虛擬記憶體是被分為很多頁面的。這些記憶體頁面中包括了實際的資料。

每一個程序都會維護一個從記憶體地址到虛擬記憶體頁面之間的對映關係。雖然每一個程序都有自己的記憶體地址，不同的程序能夠同一時候將同一個記憶體頁面對映到自己的地址空間中。從而達到共享記憶體的目的。

分配一個新的共享記憶體塊會建立新的記憶體頁面。由於全部程序都希望共享對同一塊記憶體的訪問。僅僅應由一個程序建立一塊新的共享記憶體。再次分配一塊已經存在的記憶體塊不會建立新的頁面，而僅僅是會返回一個標識該記憶體塊的識別符號。

一個程序如需使用這個共享記憶體塊，則首先須要將它繫結到自己的地址空間中。

這樣會建立一個從程序本身虛擬地址到共享頁面的對映關係。當對共享記憶體的使用結束之後，這個對映關係將被刪除。

當再也沒有程序須要使用這個共享記憶體塊的時候，必須有一個（且僅僅能是一個）程序負責釋放這個被共享的記憶體頁面。

全部共享記憶體塊的大小都必須是系統頁面大小的整數倍。系統頁面大小指的是系統中單個記憶體頁面包括的位元組數。在 Linux 系統中，記憶體頁面大小是4KB。只是您仍然應該通過呼叫 getpagesize 獲取這個值。

共享記憶體的實現分為兩個步驟：

• 建立共享記憶體，使用shmget函式。

• 對映共享記憶體。將這段建立的共享記憶體對映到詳細的程序空間去，使用shmat函式。

用於共享記憶體的函式

共享記憶體的使用。主要有下面幾個API：ftok()、shmget()、shmat()、shmdt()及shmctl()。

#include <sys/shm.h>
void *shmat(int shm_id, const void *shm_addr, int shmflg);
int shmctl(int shm_id, int cmd, struct shmid_ds *buf);
int shmdt(const void *shm_addr);
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

與訊號量相相似，通常須要在包括shm.h檔案之前包括sys/types.h與sys/ipc.h這兩個標頭檔案。

用ftok()函式獲得一個ID號

應用說明，在IPC中，我們經經常使用用key_t的值來建立或者開啟訊號量，共享記憶體和訊息佇列。

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

當成功執行的時候，一個key_t值將會被返回。否則－1被返回。我們能夠使用strerror(errno)來確定詳細的錯誤資訊。

考慮到應用系統可能在不同的主機上應用，能夠直接定義一個key，而不用ftok獲得：

#define IPCKEY 0x344378

建立共享記憶體

程序通過呼叫shmget（Shared Memory GET，獲取共享記憶體）來分配一個共享記憶體塊。

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

返回值：假設成功，返回共享記憶體表示符，假設失敗，返回-1。

• 該函式的第二個引數key是一個用來標識共享記憶體塊的鍵值。

彼此無關的程序能夠通過指定同一個鍵以獲取對同一個共享記憶體塊的訪問。

不幸的是，其他程式也可能挑選了相同的特定值作為自己分配共享記憶體的鍵值。從而產生衝突。

用特殊常量IPC_PRIVATE作為鍵值能夠保證系統建立一個全新的共享記憶體塊。|

key標識共享記憶體的鍵值：0/IPC_PRIVATE。當key的取值為IPC_PRIVATE,則函式shmget將建立一塊新的共享記憶體；假設key的取值為0。而引數中又設定了IPC_PRIVATE這個標誌，則相同會建立一塊新的共享記憶體。

• 該函式的第二個引數size指定了所申請的記憶體塊的大小。

由於這些記憶體塊是以頁面為單位進行分配的。實際分配的記憶體塊大小將被擴大到頁面大小的整數倍。

• 第三個引數shmflg是一組標誌。通過特定常量的按位或操作來shmget。這些特定常量包括：

IPC_CREAT：這個標誌表示應建立一個新的共享記憶體塊。通過指定這個標誌，我們能夠建立一個具有指定鍵值的新共享記憶體塊。

IPC_EXCL：這個標誌僅僅能與 IPC_CREAT 同一時候使用。當指定這個標誌的時候。假設已有一個具有這個鍵值的共享記憶體塊存在。則shmget會呼叫失敗。

也就是說，這個標誌將使執行緒獲得一個“獨有”的共享記憶體塊。假設沒有指定這個標誌而系統中存在一個具有相同鍵值的共享記憶體塊。shmget會返回這個已經建立的共享記憶體塊。而不是又一次建立一個。

模式標誌：這個值由9個位組成，分別表示屬主、屬組和其他使用者對該記憶體塊的訪問許可權。

當中表示執行許可權的位將被忽略。

指明訪問許可權的一個簡單辦法是利用

對映共享記憶體

shmat()是用來同意本程序訪問一塊共享記憶體的函式。將這個記憶體區對映到本程序的虛擬地址空間。

int shmat(int shmid,char *shmaddr，int flag)

成功時，這個函式返回共享記憶體的起始地址。失敗時返回-1。

要讓一個程序獲取對一塊共享記憶體的訪問。這個程序必須先呼叫 shmat（SHared Memory Attach，繫結到共享記憶體）。

將 shmget 返回的共享記憶體識別符號 SHMID 傳遞給這個函式作為第一個引數。

該函式的第二個引數是一個指標。指向您希望用於對映該共享記憶體塊的程序記憶體地址；假設您指定NULL則Linux會自己主動選擇一個合適的地址用於對映。

第三個引數是一個標誌位，包括了下面選項：

SHM_RND表示第二個引數指定的地址應被向下靠攏到記憶體頁面大小的整數倍。假設您不指定這個標誌，您將不得不在呼叫shmat的時候手工將共享記憶體塊的大小按頁面大小對齊。 
SHM_RDONLY表示這個記憶體塊將僅同意讀取操作而禁止寫入。 假設這個函式呼叫成功則會返回繫結的共享記憶體塊相應的地址。通過 fork 函式建立的子程序同一時候繼承這些共享記憶體塊；

假設須要，它們能夠主動脫離這些共享記憶體塊。 當一個程序不再使用一個共享記憶體塊的時候

共享記憶體解除對映

當一個程序不再須要共享記憶體時，須要把它從程序地址空間中多裡。

int shmdt(char *shmaddr)

成功時返回0。失敗時返回-1。

應通過呼叫 shmdt（Shared Memory Detach。脫離共享記憶體塊）函式與該共享記憶體塊脫離。

將由 shmat 函式返回的地址傳遞給這個函式。假設當釋放這個記憶體塊的程序是最後一個使用該記憶體塊的程序，則這個記憶體塊將被刪除。

對 exit 或不論什麼exec族函式的呼叫都會自己主動使程序脫離共享記憶體塊。

控制釋放

shmctl控制對這塊共享記憶體的使用

函式原型

int  shmctl( int shmid , int cmd , struct shmid_ds *buf );

當中cmd的取值例如以下

返回值： 成功：0 失敗：-1

呼叫 shmctl（”Shared Memory Control”，控制共享記憶體）函式會返回一個共享記憶體塊的相關資訊。同一時候 shmctl 同意程式改動這些資訊。

該函式的第一個引數是一個共享記憶體塊標識。 
要獲取一個共享記憶體塊的相關資訊，則為該函式傳遞 IPC_STAT 作為第二個引數，同一時候傳遞一個指向一個 struct shmid_ds 物件的指標作為第三個引數。

要刪除一個共享記憶體塊，則應將 IPC_RMID 作為第二個引數。而將 NULL 作為第三個引數。

當最後一個繫結該共享記憶體塊的程序與其脫離時，該共享記憶體塊將被刪除。

您應當在結束使用每一個共享記憶體塊的時候都使用 shmctl 進行釋放，以防止超過系統所同意的共享記憶體塊的總數限制。

呼叫 exit 和 exec 會使程序脫離共享記憶體塊，但不會刪除這個記憶體塊。

要檢視其他有關共享記憶體塊的操作的描寫敘述，請參考shmctl函式的手冊頁。

演示樣例

簡單對映一塊共享記憶體

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <string.h>


#define IPCKEY 0x366378



typedef struct st_setting
{
    char agen[10];
    unsigned char file_no;
}st_setting;

int main(int argc, char** argv)
{
    int         shm_id;
    //key_t       key;
    st_setting  *p_setting;

    //  首先檢查共享記憶體是否存在，存在則先刪除
    shm_id = shmget(IPCKEY , 1028, 0640);
    if(shm_id != -1)
    {
        p_setting = (st_setting *)shmat(shm_id, NULL, 0);

        if (p_setting != (void *)-1)
        {
            shmdt(p_setting);

            shmctl(shm_id,IPC_RMID,0) ;
        }
    }

    //  建立共享記憶體
    shm_id = shmget(IPCKEY, 1028, 0640 | IPC_CREAT | IPC_EXCL);
    if(shm_id == -1)
    {
        printf("shmget error\n");
        return -1;
    }

    //  將這塊共享記憶體區附加到自己的記憶體段
    p_setting = (st_setting *)shmat(shm_id, NULL, 0);

    strncpy(p_setting->agen, "gatieme", 10);
    printf("agen : %s\n", p_setting->agen);

    p_setting->file_no = 1;
    printf("file_no : %d\n",p_setting->file_no);

    system("ipcs -m");//  此時可看到有程序關聯到共享記憶體的資訊，nattch為1

    //  將這塊共享記憶體區從自己的記憶體段刪除出去
    if(shmdt(p_setting) == -1)
       perror(" detach error ");

    system("ipcs -m");//  此時可看到有程序關聯到共享記憶體的資訊。nattch為0

    //  刪除共享記憶體
    if (shmctl( shm_id , IPC_RMID , NULL ) == -1)
    {
        perror(" delete error ");
    }

    system("ipcs -m");//  此時可看到有程序關聯到共享記憶體的資訊，nattch為0


    return EXIT_SUCCESS;
}

ipcrm命令刪除共享記憶體

在使用共享記憶體。結束程式退出後。假設你沒在程式中用shmctl()刪除共享記憶體的話。一定要在命令列下用ipcrm命令刪除這塊共享記憶體。

你要是無論的話，它就一直在那兒放著了。

簡單解釋一下ipcs命令和ipcrm命令。

取得ipc資訊：

usage : ipcs -asmq -tclup 
    ipcs [-s -m -q] -i id
    ipcs -h for help.
m      輸出有關共享記憶體(shared memory)的資訊
-q      輸出有關資訊佇列(message queue)的資訊
-s      輸出有關“遮斷器”(semaphore)的資訊

刪除ipc

usage: ipcrm [ [-q msqid] [-m shmid] [-s semid]
          [-Q msgkey] [-M shmkey] [-S semkey] ... ]

兩端通訊的程式

讀者程式

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

#define N 64

typedef struct
{
    pid_t pid;
    char buf[N];
} SHM;

void handler(int signo)
{
    //printf("get signal\n");
    return;
}

int main()
{
    key_t key;
    int shmid;
    SHM *p;
    pid_t pid;

    if ((key = ftok(".", 'm')) < 0)
    {
        perror("fail to ftok");
        exit(-1);
    }

    signal(SIGUSR1, handler);//註冊一個訊號處理函式
    if ((shmid = shmget(key, sizeof(SHM), 0666|IPC_CREAT|IPC_EXCL)) < 0)
    {
        if (EEXIST == errno)//存在則直接開啟
        {
            shmid = shmget(key, sizeof(SHM), 0666);
            p = (SHM *)shmat(shmid, NULL, 0);
            pid = p->pid;
            p->pid = getpid();//把自己的pid寫到共享記憶體
            kill(pid, SIGUSR1);
        }
        else//出錯
        {
            perror("fail to shmget");
            exit(-1);
        }
    }
    else//成功
    {
        p = (SHM *)shmat(shmid, NULL, 0);
        p->pid = getpid();
        pause();
        pid = p->pid;//得到寫端程序的pid
    }

    while ( 1 )
    {
        pause();//堵塞，等待訊號
        if (strcmp(p->buf, "quit\n") == 0) exit(0);//輸入"quit結束"
        printf("read from shm : %s", p->buf);
        kill(pid, SIGUSR1);//向寫程序發SIGUSR1訊號
    }

    return 0;


}

寫者程式

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

#define N 64

typedef struct
{
    pid_t pid;
    char buf[N];
} SHM;

void handler(int signo)
{
    //printf("get signal\n");
    return;
}

int main()
{
    key_t key;
    int shmid;
    SHM *p;
    pid_t pid;

    if ((key = ftok(".", 'm')) < 0)
    {
        perror("fail to ftok");
        exit(-1);
    }

    signal(SIGUSR1, handler);               //  註冊一個訊號處理函式
    if ((shmid = shmget(key, sizeof(SHM), 0666 | IPC_CREAT | IPC_EXCL)) < 0)
    {
        if (EEXIST == errno)                //  存在則直接開啟
        {
            shmid = shmget(key, sizeof(SHM), 0666);

            p = (SHM *)shmat(shmid, NULL, 0);

            pid = p->pid;
            p->pid = getpid();
            kill(pid, SIGUSR1);
        }
        else//出錯
        {
            perror("fail to shmget");
            exit(-1);
        }
    }
    else//成功
    {

        p = (SHM *)shmat(shmid, NULL, 0);
        p->pid = getpid();                  //  把自己的pid寫到共享記憶體
        pause();
        pid = p->pid;                       //  得到讀端程序的pid

    }

    while ( 1 )
    {
        printf("write to shm : ");
        fgets(p->buf, N, stdin);            //  接收輸入
        kill(pid, SIGUSR1);                 //  向讀程序發SIGUSR1訊號
        if (strcmp(p->buf, "quit\n") == 0) break;
        pause();                            //  堵塞，等待訊號
    }
    shmdt(p);
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);          //  刪除共享記憶體

    return 0;
}