Linux IPC System V 共享内存：一种实现高速数据交换的高级方式

Linux系统是一种支持多任务并发执行的操作系统，它可以同时运行多个进程，从而提高系统的利用率和效率。但是，如果这些进程之间需要进行数据交换和协作，就需要使用一些进程间通信（IPC）的方式，例如信号、消息队列、信号量等。其中，System V 共享内存是一种比较高级而高速的IPC方式，它可以让两个或多个进程通过一个内存区域来进行数据交换，无需进行数据拷贝和转换。本文将介绍Linux系统中System V 共享内存的方法，包括共享内存的创建、映射、读写、解除映射和删除等方面。

模型

#include
#include
#include
ftok()      //获取key值            
shmget()    //创建/获取共享内存 
shmat()     //挂接共享内存        
shmdt()     //脱接共享内存        
shmctl()    //删除共享内存        

ftok()

//获取key值, key值是System V IPC的标识符，成功返回key，失败返回-1设errno
//同pathname+同 proj_id==>同key_t;
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

pathname :文件名
proj_id: 1~255的一个数，表示project_id

key_t key=ftok(".",100);    //“.”就是一个存在且可访问的路径, 100是假设的proj_id
    if(-1==key)
        perror("ftok"),exit(-1);

shmget()

//创建/获取共享内存，成功返回共享内存的标识符shmid，失败返回-1设errno
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);     //多设为int shmid=...  和shmat()一起用比较好看

key :ftok()的返回值
size:共享内存的大小，实际会按照页的大小(PAGE_SIZE)来分配。0表示获取已经分配好的共享内存
shmflg:具体的操作标志

• IPC_CREAT:若不存在则创建, 需要在shmflg中＂|权限信息＂, eg: |0664; 若存在则打开
• IPC_EXCL:与IPC_CREAT搭配使用, 若存在则创建失败==>报错,set errno
• 0 :获取已经存在的共享内存

//创建shared memory
shmid=shmget(key,4,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0664);
if(-1==shmid)
    perror("shmget"),exit(-1);

Q:既然shmget()可以创建, 那要ftok()有啥用
A:shmget才是创建共享内存, ftok()只是用来产生一个key,其实这个key的位置自己随意填一个数也可以运行，但是相对系统生成的，很容易造成冲突，所以最好用ftok产生一个key

shmat()

//挂接共享内存，成功返回映射内存的地址，失败返回(void*)-1设errno
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

shmid: shmget()的返回值
shmaddr

• NULL表示由系统选择 (同mmap())
• 非NULL且shflg是SHM_RND，会按照页对齐的原则从shmaddr开始找最近的地址开始分配分，否则shmaddr指定的地址必须是页对齐的
• shmflg :操作的标志, 给0即可

  • SHM_RDONLY表示挂接到该共享内存的进程必须有读权限
  • SHM_REMAP (Linux-specific)表示如果要映射的共享内存已经有现存的内存，那么就将旧的替换

//挂接共享内存
void* pv=shmat(shmid,NULL,0);
if((void*)-1==pv)
    perror("shmat"),exit(-1);

shmdt()

//脱接共享内存，成功返回0,失败返回-1设errno
int shmdt(const void *shmaddr);
//脱接shm
int res=shmdt(pv);
if(-1==res)
    perror("shmdt"),exit(-1);

shmctl()

//共享内存管理，成功返回0,失败返回-1设errno
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

shmid：共享内存的id，由shmget()返回
buf : shmid_ds类型的指针

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 */
    ...
};
//
struct ipc_perm {
   key_t            __key;      /* Key supplied to shmget(2) */
   uid_t            uid;        /* Effective UID of owner */
   gid_t            gid;        /* Effective GID of owner */
   uid_t            cuid;       /* Effective UID of creator */
   gid_t            cgid;       /* Effective GID of creator */
   unsigned short   mode;       /* Permissions + SHM_DEST and SHM_LOCKED flags */
   unsigned short   __seq;      /* Sequence number */
};

cmd

• IPC_STAT表示从内核中拷贝关于这个shmid的信息到buf指向的shmid_ds中

• IPC_SET 将buf指向的shmid_ds的信息写入到内核的结构体中，同时更新成员shm_ctime

• IPC_RMID销毁共享内存

• IPC_INFO(Linux-specific)返回系统对共享内存的限制写入到buf指向的时shminfo结构体中

  //_GNU_SOURCE
  struct  shminfo {
      unsigned long   shmmax; /* Maximum segment size */
      unsigned long   shmmin; /* Minimum segment size; always 1 */
      unsigned long   shmmni; /* Maximum number of segments */
      unsigned long   shmseg; /* Maximum number of segments that a process 
  can attach; unused within kernel */
      unsigned long   shmall; /* Maximum number of pages of shared memory, 
  system-wide */
   };
   //shmmni, shmmax, and shmall 可以童工/proc里的同名文件进行修改
  

• SHM_INFO(Linux-specific) 返回一个shm_info结构体来表示该共享内存消耗的系统资源

  //_GNU_SOURCE
  struct shm_info {
      int             used_ids;   /* # of currently existing segments */
      unsigned long   shm_tot;    /* Total number of shared memory pages */
      unsigned long   shm_rss;    /* # of resident shared memory pages */
      unsigned long   shm_swp;    /* # of swapped shared memory pages */
      unsigned long   swap_attempts; /* Unused since Linux 2.4 */
      unsigned long   swap_successes;/* Unused since Linux 2.4 */
   };
  

• SHM_STAT(Linux-specific) 为IPC_STAT返回一个shmid_ds结构结构体，不同的是shmid的参数不是一个标识符，而是内核中一个包含了系统中所有共享内存信息的索引

• SHM_LOCK防止系统将共享内存放到swap区，IPC_STAT读到的信息中SHM_LOCKED标记就被设置了

• SHM_UNLOCK 解除锁定，即允许共享内存被系统放到swap区

//使用IPC_RMID删除共享内存
int res=shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
if(-1==res)
    perror("shmctl"),exit(-1);

例子

//Sys V IPC shm
int shmid;          //定义全局变量记录id
void fa(int signo){
    printf("deleting shared memories...\n");
    sleep(3);//其实没用
    int res=shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
    if(-1==res)
        perror("shmctl"),exit(-1);
    printf("delete success\n");
    exit(0);    //ctrl+C已经不能结束while(1),用exit(0)来终结
}
int main(){
    //获取key
    key_t key=ftok(".",100);    //.就是一个存在且可访问的路径, 100是随便给的
    if(-1==key)
        perror("ftok"),exit(-1);
    printf("key=%#x\n",key);    //打印出进制的标示,即0x
    //创建shared memory
    shmid=shmget(key,4,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0664);
    if(-1==shmid)
        perror("shmget"),exit(-1);
    printf("shmid=%d\n",shmid);
    //挂接shm
    void* pv=shmat(shmid,NULL,0);
    if((void*)-1==pv)
        perror("shmat"),exit(-1);
    printf("link shared memory success\n");
    //访问shm
    int* pi=(int*)pv;
    *pi=100;
    //脱接shm
    int res=shmdt(pv);
    if(-1==res)
        perror("shmdt"),exit(-1);
    printf("unlink success\n");
    //如果不再使用,删除shm
    printf("删除共享内存请按Ctrl C...\n");
    if(SIG_ERR==signal(SIGINT,fa))
        perror("signal"),exit(-1);
    while(1);
    return 0;
}

本文介绍了Linux系统中System V 共享内存的方法，包括共享内存的创建、映射、读写、解除映射和删除等方面。通过了解和掌握这些知识，我们可以更好地使用System V 共享内存来实现进程间通信，提高系统的性能和可靠性。当然，Linux系统中System V 共享内存还有很多其他的特性和用法，需要我们不断地学习和探索。希望本文能给你带来一些启发和帮助。

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