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linux进程间通信之共享内存（mmap,shm_open）

article 2024/11/17 7:51:53

共享内存，顾名思义就是允许两个不相关的进程访问同一个逻辑内存，共享内存是两个正在运行的进程之间共享和传递数据的一种非常有效的方式。不同进程之间共享的内存通常为同一段物理内存。进程可以将同一段物理内存连接到他们自己的地址空间中，所有的进程都可以访问共享内存中的地址。如果某个进程向共享内存写入数据，所做的改动将立即影响到可以访问同一段共享内存的任何其他进程。 Linux 操作系统的进程通常使用的是虚拟内存，虚拟内存空间是有由物理内存映射而来的。System V 共享内存能够实现让两个或多个进程访问同一段物理内存空间，达到数据交互的效果。

共享内存和其他进程间数据交互方式相比，有以下几个突出特点：

1.速度快，因为共享内存不需要内核控制，所以没有系统调用。而且没有向内核拷贝数据的过程，所以效率和前面几个相比是最快的，可以用来进行批量数据的传输，比如图片。

2. 没有同步机制，需要借助 Linux 提供其他工具来进行同步，通常使用信号灯。

使用共享内存的步骤：

1. 调用 shmget() 创建共享内存段 id ，

2. 调用 shmat() 将 id 标识的共享内存段加到进程的虚拟地址空间，

3. 访问加入到进程的那部分映射后地址空间，可用 IO 操作读写。

在Linux系统中，有多种方式可以实现共享内存，其中一种是使用POSIX共享内（posix_shm）。POSIX共享内存有两种方法：

1.内存映射文件

先用open函数打开一个文件，然后调用mmap函数把得到的描述符映射到当前进程地址空间中。这种方式访问速度相对较慢，因为需要内核同步或异步更新到文件系统中。

（1）代码

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <sys/mman.h>  
#include <unistd.h>  
  
int main() {  
    // 打开文件  
    int fd = open("example.txt", O_RDWR);  
    if (fd == -1) {  
        perror("Error opening file");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    // 获取文件大小  
    struct stat sb;  
    if (fstat(fd, &sb) == -1) {  
        perror("Error getting the file size");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
    off_t length = sb.st_size; // 文件大小，单位是字节  
  
    // 映射内存到进程的地址空间  
    char* map = mmap(NULL, length, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);  
    if (map == MAP_FAILED) {  
        perror("Error mmapping the file");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    // 打印映射的内存内容，即文件内容  
    for (off_t i = 0; i < length; i++) {  
        printf("%c", map[i]); // 打印每个字符，即文件内容  
    }  
    printf("\n");  
  
    // 释放内存映射和文件描述符  
    if (munmap(map, length) == -1) {  
        perror("Error un-mmapping the file");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
    close(fd);  
    return 0;  
}

（2）注解

open函数用于打开文件，其返回值是文件描述符。如果打开失败，则返回-1。第二个参数O_RDWR表示以读写模式打开文件。
fstat函数用于获取文件的大小，其返回值是stat结构体，其中st_size成员表示文件大小（单位是字节）。如果获取失败，则返回-1。
mmap函数用于将文件映射到进程的地址空间。第一个参数是映射区域的起始地址，通常为NULL。第二个参数是映射区域的长度。第三个参数是保护标志，这里设置为读、写和共享（可读、可写、可被其他进程共享）。第四个参数是映射对象的类型，这里设置为共享内存。第五个参数是文件描述符。第六个参数是文件映射的偏移量。如果映射成功，则返回映射区域的指针；否则返回MAP_FAILED。
munmap函数用于释放内存映射。第一个参数是映射区域的指针。第二个参数是映射区域的长度。如果释放成功，则返回0；否则返回-1。

2.共享内存对象

先用shm_open打开一个Posix IPC名字（也可以是文件系统中的一个路径名），然后调用mmap将返回的描述符映射到当前进程的地址空间。

（1）代码

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <sys/mman.h>  
#include <unistd.h>  
  
#define SHM_SIZE 1024  // 共享内存大小  
  
int main() {  
    int fd;  
    void *map_ptr;  
  
    // 打开共享内存对象，以读写模式打开，不创建新对象，如果对象不存在则返回-1  
    fd = shm_open("/Posix IPC", O_RDWR | O_CREAT, 0666);  
    if (fd == -1) {  
        perror("shm_open");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    // 调整共享内存对象的大小，这里将其设置为1024字节  
    if (ftruncate(fd, SHM_SIZE) == -1) {  
        perror("ftruncate");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    // 将共享内存对象的描述符映射到当前进程的地址空间，map_ptr指向的就是这块内存的起始地址  
    map_ptr = mmap(NULL, SHM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);  
    if (map_ptr == MAP_FAILED) {  
        perror("mmap");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    // 现在可以在map_ptr指向的内存区域进行读写操作了，这就像操作普通的内存一样简单  
    // ... 写入数据到 map_ptr 指向的内存区域 ...  
    // ... 从 map_ptr 指向的内存区域读取数据 ...  
  
    // 当进程不再需要访问共享内存时，可以通过调用munmap来撤销内存映射，参数是map_ptr和映射的长度  
    if (munmap(map_ptr, SHM_SIZE) == -1) {  
        perror("munmap");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
  
    // 关闭共享内存对象的描述符，然后删除该对象，参数是fd和0，表示删除成功返回0，否则返回-1  
    if (close(fd) == -1) {  
        perror("close");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
    if (shm_unlink("/my_shm") == -1) {  
        perror("shm_unlink");  
        exit(EXIT_FAILURE);  
    }  
    return 0;  
}

（2）注解

shm_open函数用于打开或创建共享内存对象。第一个参数是对象名，第二个参数是打开模式（这里使用读写模式），第三个参数是权限设置（这里设置为0666，表示所有用户都可以读写这个对象）。如果对象不存在，shm_open会创建一个新对象。如果创建成功，shm_open会返回一个文件描述符。如果失败，返回-1。
ftruncate函数用于调整共享内存对象的大小。第一个参数是文件描述符，第二个参数是新的文件大小。这里将文件大小设置为1024字节。如果成功，ftruncate返回0；否则返回-1。
mmap函数用于将共享内存对象的描述符映射到当前进程的地址空间。第一个参数是映射区域的起始地址（通常为NULL），第二个参数是映射区域的长度，第三个参数是保护标志（这里设置为读、写和共享），第四个参数是映射对象的类型（这里设置为共享内存），第五个参数是文件描述符，第六个参数是文件映射的偏移量。如果映射成功，mmap返回映射区域的指针；否则返回MAP_FAILED。