进程间通信-共享内存shmat

进程间通信三种方式

在linux系统中，每个进程都有独立的虚拟空间地址，通过MMU地址转换将虚拟地址与物理地址进行映射，每个进程相同的虚拟地址空间都会映射到不同的物理地址，每个进程在物理内存空间都是相互独立和隔离的。
不同的进程之间如果需要相互通信，该怎么办？因为不同的进程在物理内存上是相互隔离的，所以需要借助第三方工具来完成进程间通信。其实进程间通信的本质就是交换数据，进程间交换数据有三种方式：通过文件、通过内核、共享内存。

• 通过文件：AB进程通过访问同一个磁盘文件(I/O访问)进行数据交换
• 通过内核：进程间用户空间是相互独立，但是内核空间都是同一个， 因此可以通过内核这个中介去进行数据交换
• 共享内存：每个进程间的虚拟地址会映射到不同的物理地址，如果允许映射到同一块物理地址就可以进行数据交换

共享内存特点

• 共享内存 VS 通过文件：共享内存读写速度更快
• 共享内存VS通过内核：抛弃了内核“代理人”角色，让两个进程直接通过一块内存通信。减少了内存拷贝（从用户拷贝到内核、从内核拷贝到用户空间），减少了2次系统调用，提高系统性能
• 共享内存缺点：是共享内存并未提供同步机制，所以需要用其他机制来同步对共享内存的方位，这将由程序员来完成。一般可以通过信号量、互斥锁、文件锁等配合使用，防止数据的踩踏。

共享内存原理

共享内存是由IPC为进程创建的一个特殊的地址范围，出现在该进程的地址空间中，其他进程可以将同一段共享内存连接到他们自己的地址空间中。所有进程都可以访问共享内存中的地址，就好像他们是由malloc分配的一样。如果一个进程向共享内存中写了数据，那么其他进程将立刻能够看到。

共享内存使用

创建/获取共享内存shmget

该函数用来创建/获取共享内存

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
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• key：IPC 对象的键值，一般为IPC_PRIVATE或ftok返回的key值
• size：共享内存的大学，一般为存物理页的整数倍
• shmflg：IPC_CREAT:如果不存在与制定的key对应的段，那么就创建一个新段；IPC_EXCL：若key制定的内存存在且制定了IPC_CREAT，返回EEXIST错误；
• 返回值：共享内存的标识符ID

映射共享内存shmat

该函数将shmid标识的共享内存引入到当前进程的虚拟地址空间

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
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• shmid：共享内存的IPC对象ID
• shmaddr：若为NULL：共享内存会被attach到一个合适的虚拟地址空间，建议使用NULL；不为NULL：系统会根据参数及地址边界对齐等分配一个合适的地址
• shmflg：IPC_RDONLY：附加只读权限，不指定的话默认是读写权限；IPC_REMAP：替换位于shmaddr处的任意既有映射：共享内存段或内存映射；
• 返回值：共享内存段的地址

共享内存读写

共享内存的读写就要注意共享内存多进程访问同步，一般可以通过信号量、互斥锁、文件锁等配合使用，防止数据的踩踏。

解除内存映射shmdt

该函数解除内存映射，将共享内存分离出当前进程的地址空间

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
int shmdt(const void *shmaddr);
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• shmaddr：共享内存地址

注意，函数shmdt仅仅是使进程和共享内存脱离关系，将共享内存的引用计数减1，并为删除共享内存。通过#ipc -m就可查看某个IPC对象的状态，其中“连接数”就是表示该共享内存对象被引用的计数。

删除共享内存

上面看到，shmdt仅仅是使进程和共享内存脱离关系，并未删除共享内存。当共享内存的引用次数未0，可以调用shmctl的IPC_RMID命令才会删除共享内存。或者进程结束后，也会被删除掉。
shmctl获取/设置共享内存对象属性

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
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• shmid：共享内存的对象ID
• cmd：IPC_RMID：删除共享内存段及关联的shmid_ds数据结构
• buf：指向包含共享模式和访问权限的结构
• 返回值：成功返回0，失败返回-1

更多的cmd可以通过man shmct去查看。

生产者-消费者代码示例

下面是一个简单的生产者-消费者模型，生产者producer进程负责将用户输入的数据写到共享内存中，消费者customer进程负责将共享内存中的读出来并打印出来。下面的程序示例通过共享内存中的变量written_by_you标记进行一个读写的同步，保证读写操作是互斥的。

//share.h
#define TEXT_SZ 2048
struct shared_use_st 
{
	int written_by_you;
	char some_text[TEXT_SZ];
};
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//customer.c
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include "share.h"
int main()
{
	int running = 1;
	void *shared_memory = (void *)0;
	struct shared_use_st *shared_stuff;
	int shmid;	
	srand((unsigned int)getpid());    
	shmid = shmget((key_t)1234, sizeof(struct shared_use_st), 0666 | IPC_CREAT);
	if (shmid == -1) 
	{
		fprintf(stderr, "shmget failed\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	shared_memory = shmat(shmid, (void *)0, 0);
	if (shared_memory == (void *)-1) {
		fprintf(stderr, "shmat failed\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	printf("Memory attached at %X\n", (int)shared_memory);
	shared_stuff = (struct shared_use_st *)shared_memory;
	shared_stuff->written_by_you = 0;
	while(running) 
	{
		if (shared_stuff->written_by_you) 
		{
			printf("You wrote: %s", shared_stuff->some_text);
			sleep( rand() % 4 );  
			shared_stuff->written_by_you = 0;
			if (strncmp(shared_stuff->some_text, "end", 3) == 0) 
			{
				running = 0;
			}
		}
	}
	if (shmdt(shared_memory) == -1) 
	{
		fprintf(stderr, "shmdt failed\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	if (shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1) 
	{
		fprintf(stderr, "shmctl(IPC_RMID) failed\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}	
	printf("customer exit.\n");
	exit(EXIT_SUCCESS);
}


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//producer.c
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include "share.h"
int main()
{
	int running = 1;
	void *shared_memory = (void *)0;
	struct shared_use_st *shared_stuff;
	char buffer[BUFSIZ];
	int shmid;

	shmid = shmget((key_t)1234, sizeof(struct shared_use_st), 0666 | IPC_CREAT);

	if (shmid == -1) 
	{
		fprintf(stderr, "shmget failed\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
    }

	shared_memory = shmat(shmid, (void *)0, 0);
	if (shared_memory == (void *)-1) 
	{
		fprintf(stderr, "shmat failed\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	printf("Memory attached at %X\n", (int)shared_memory);

	shared_stuff = (struct shared_use_st *)shared_memory;
	while(running) 
	{
		while(shared_stuff->written_by_you == 1) 
		{
			sleep(1);            
			printf("waiting for client...\n");
		}
		printf("Enter some text: ");
		fgets(buffer, BUFSIZ, stdin);
        
		strncpy(shared_stuff->some_text, buffer, TEXT_SZ);
		shared_stuff->written_by_you = 1;

		if (strncmp(buffer, "end", 3) == 0) 
		{
			running = 0;
		}
	}

	if (shmdt(shared_memory) == -1) 
	{
		fprintf(stderr, "shmdt failed\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	printf("producer exit.\n");
	exit(EXIT_SUCCESS);
}

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参考资料
[1]嵌入式C语音自我修养，王立涛
[2]大连理工大学《嵌入式软件设计》慕课