進程間通信——共享內存（Shared Memory）

共享內存是System V版本的最後一個進程間通信方式。共享內存，顧名思義就是允許兩個不相關的進程訪問同一個邏輯內存，共享內存是兩個正在運行的進程之間共享和傳遞數據的一種非常有效的方式。不同進程之間共享的內存通常爲同一段物理內存。進程可以將同一段物理內存連接到他們自己的地址空間中，所有的進程都可以訪問共享內存中的地址。如果某個進程向共享內存寫入數據，所做的改動將立即影響到可以訪問同一段共享內存的任何其他進程。

特別提醒：共享內存並未提供同步機制，也就是說，在第一個進程結束對共享內存的寫操作之前，並無自動機制可以阻止第二個進程開始對它進行讀取，所以我們通常需要用其他的機制來同步對共享內存的訪問，例如信號量。

下面就 Shared Memory 的IPC作以闡述與分析。

共享內存的通信原理

在Linux中，每個進程都有屬於自己的進程控制塊（PCB）和地址空間（Addr Space），並且都有一個與之對應的頁表，負責將進程的虛擬地址與物理地址進行映射，通過內存管理單元（MMU）進行管理。兩個不同的虛擬地址通過頁表映射到物理空間的同一區域，它們所指向的這塊區域即共享內存。

共享內存的通信原理示意圖：

對於上圖我的理解是：當兩個進程通過頁表將虛擬地址映射到物理地址時，在物理地址中有一塊共同的內存區，即共享內存，這塊內存可以被兩個進程同時看到。這樣當一個進程進行寫操作，另一個進程讀操作就可以實現進程間通信。但是，我們要確保一個進程在寫的時候不能被讀，因此我們使用信號量來實現同步與互斥。

對於一個共享內存，實現採用的是引用計數的原理，當進程脫離共享存儲區後，計數器減一，掛架成功時，計數器加一，只有當計數器變爲零時，才能被刪除。當進程終止時，它所附加的共享存儲區都會自動脫離。

爲什麼共享內存速度最快？

藉助上圖說明：Proc A 進程給內存中寫數據， Proc B 進程從內存中讀取數據，在此期間一共發生了兩次複製

（1）Proc A 到共享內存       （2）共享內存到 Proc B

因爲直接在內存上操作，所以共享內存的速度也就提高了。

共享內存的接口函數以及指令

1.查看系統中的共享存儲段

ipcs -m

2.刪除系統中的共享存儲段

ipcrm -m [shmid]

3.shmget ( )：創建共享內存

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

[參數key]：由ftok生成的key標識，標識系統的唯一IPC資源。

[參數size]：需要申請共享內存的大小。在操作系統中，申請內存的最小單位爲頁，一頁是4k字節，爲了避免內存碎片，我們一般申請的內存大小爲頁的整數倍。

[參數shmflg]：如果要創建新的共享內存，需要使用IPC_CREAT，IPC_EXCL，如果是已經存在的，可以使用IPC_CREAT或直接傳0。

[返回值]：成功時返回一個新建或已經存在的的共享內存標識符，取決於shmflg的參數。失敗返回-1並設置錯誤碼。

4.shmat ( )：掛接共享內存

void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

[參數shmid]：共享存儲段的標識符。

[參數*shmaddr]：shmaddr = 0，則存儲段連接到由內核選擇的第一個可以地址上（推薦使用）。

[參數shmflg]：若指定了SHM_RDONLY位，則以只讀方式連接此段，否則以讀寫方式連接此段。

[返回值]：成功返回共享存儲段的指針（虛擬地址），並且內核將使其與該共享存儲段相關的shmid_ds結構中的shm_nattch計數器加1（類似於引用計數）；出錯返回-1。

5.shmdt ( )：去關聯共享內存

當一個進程不需要共享內存的時候，就需要去關聯。該函數並不刪除所指定的共享內存區，而是將之前用shmat函數連接好的共享內存區脫離目前的進程。

int shmdt(const void *shmaddr);

[參數*shmaddr]：連接以後返回的地址。

[返回值]：成功返回0，並將shmid_ds結構體中的 shm_nattch計數器減1；出錯返回-1。

6.shmctl ( )：銷燬共享內存

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

[參數shmid]：共享存儲段標識符。

[參數cmd]：指定的執行操作，設置爲IPC_RMID時表示可以刪除共享內存。

[參數*buf]：設置爲NULL即可。

[返回值]：成功返回0，失敗返回-1。

模擬共享內存

我們用server來創建共享存儲段，用client獲取共享存儲段的標識符，二者關聯起來之後server將數據寫入共享存儲段，client從共享區讀取數據。通信結束之後server與client斷開與共享區的關聯，並由server釋放共享存儲段。

comm.h

//comm.h
#ifndef _COMM_H__
#define _COMM_H__

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>

#define PATHNAME "."
#define PROJ_ID 0x6666

int CreateShm(int size);
int DestroyShm(int shmid);
int GetShm(int size);
#endif

comm.c

//comm.c
#include"comm.h"

static int CommShm(int size,int flags)
{
	key_t key = ftok(PATHNAME,PROJ_ID);
	if(key < 0)
	{
		perror("ftok");
		return -1;
	}
	int shmid = 0;
	if((shmid = shmget(key,size,flags)) < 0)
	{
		perror("shmget");
		return -2;
	}
	return shmid;
}
int DestroyShm(int shmid)
{
	if(shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL) < 0)
	{
		perror("shmctl");
		return -1;
	}
	return 0;
}
int CreateShm(int size)
{
	return CommShm(size,IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
}
int GetShm(int size)
{
	return CommShm(size,IPC_CREAT);
}

client.c

//client.c
#include"comm.h"

int main()
{
	int shmid = GetShm(4096);
	sleep(1);
	char *addr = shmat(shmid,NULL,0);
	sleep(2);
	int i = 0;
	while(i < 26)
	{
		addr[i] = 'A' + i;
		i++;
		addr[i] = 0;
		sleep(1);
	}
	shmdt(addr);
	sleep(2);
	return 0;
}

server.c

//server.c
#include"comm.h"

int main()
{
	int shmid = CreateShm(4096);

	char *addr = shmat(shmid,NULL,0);
	sleep(2);
	int i = 0;
	while(i++ < 26)
	{
		printf("client# %s\n",addr);
		sleep(1);
	}
	shmdt(addr);
	sleep(2);
	DestroyShm(shmid);
	return 0;
}

Makefile

//Makefile
.PHONY:all
all:server client

client:client.c comm.c
	gcc -o $@ $^
server:server.c comm.c
	gcc -o $@ $^

.PHONY:clean
clean:
	rm -f client server

運行結果：

總結：

（1）優點：我們可以看到使用共享內存進行進程之間的通信是非常方便的，而且函數的接口也比較簡單，數據的共享還使進程間的數據不用傳送，而是直接訪問內存，加快了程序的效率。

（2）缺點：共享內存沒有提供同步機制，這使得我們在使用共享內存進行進程之間的通信時，往往需要藉助其他手段來保證進程之間的同步工作。