＜Linux＞（极简关键、省时省力）《Linux操作系统原理分析之Linux 进程管理 9》（13）

4 Linux 进程管理

4.9 IPC 共享内存

linux 中进程通信两种高级通信机制 IPC 的消息队列和共享内存。共享内存是进程通信中速度最快的一种。该机制的实现与 linux 的存储管理密切相关，出现的函数和数据结构分别定义在 linux 源文件 ipc/shm.c 和 include/linux/shm.h 中。

4.9.1 共享内存

基本思想： 通过允许多个进程访问同一个内存区域实现进程之间的数据传送。进程不能直接访问物理内存空间，所以需要将共享的内存空间映射到通信进程的虚拟地址空间，这个过程对用户进程透明。（attach 结合, detach 脱离）

共享内存实现机制与信号量、消息管理机制一致。每一个共享内存有唯一标识，称为内存标记号，每个区域内存由一个数据结构记录他的管理信息，称为内存描述符 shmid_ds 结构体，定义如下：

Struct shmid_ds
{
Struct ipc_perm shm_perm; / *访问权限*/
Int shm_segsz; /*共享内存大小（字节）*/
Time_t shm_atime; /*最近一次结合时间*/
Time_t shm_dtime; /*最近一次分离时间*/
Time_t shm_ctime; /*最近一次修改时间*/
Unsigned short shm_cpid; /*创建者 pid*/
Unsigned short shm_lpid; /*最后一次对共享内存进行操作的进程的 pid*/
Short shm_nattch; /*当前结合进程的数量*/
Unsigned short shm_npages; /*共享内存使用的页面数*/
Unsigned long shm_pages; /*共享内存页表指针*/
Struct vm_area_struct *attaches; /*供结合进程使用的虚拟内存描述符*/
}

4.9.2 共享内存的生成与控制

1．Shmget（）建立或检索共享内存

Shmget（key_t key, int size ,int shmflg）;

👉Size：共享内存大小，要说明的是：检索时，size 要小于共享内存实际大小。
2．Shmctl（）控制函数

Shmctl（int shmid，int cmd，struct shmid_ds *buf）

👉Cmd 指出的对共享内存的操作种类如下：

IPC_STAT：获取共享内存的管理信息，并将其复制到 buf。 IPC_SET：修改共享内存描述符内容。
IPC_RMID：删除共享内存，必须在共享内存与所有进程分离后。 SHM_LOCK：禁止共享内存的页面交换；
SHM_UNLOCK：允许共享内存的页面交换；

4.9.3 共享内存的结合与分离

1．与共享内存结合
系统调用 shmat（）

Int shmat（int shmid，char *shmaddr，int shmflg）；

Shmid：共享内存的标识号；
Shmaddr：共享内存在进程虚拟空间的起始地址。若为 0，则由系统在进程虚拟空间分配共享内存区域。
Shmflg：操作特性。若为 SHM_RDONLY，只能对共享内存进行读取操作；若为 0，则可以读写。对内存没有只写操作。

2．与共享内存分离

Int shmdt（char *shmaddr）

Shmaddr：进出虚拟空间中共享内存的首地址。执行该函数将释放进程虚拟空间中共享内存占用的区域，并修改 shmid_ds 中的相关项。

4.9.4 共享内存的程序例

下面给出使用共享内存实现进程通信的程序例。它由俩个程序组成，第一个用于建立共享内存，第二个给出与共享内存结合和分离的程序方法。

/*mkshm.c 生成和初始化内存共享区域*/
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define BUFSZ 4096 /*共享内存的大小*/
Int main（void）
{
Int shmid;
If((shmid=shmget（IPC_PRIVATE,BUFSZ,0666）)<0
{
Printf(“share memory error\n”);
Exit(-1);
}
Printf(“segment created:%d”,shmid);
System(“ipcs –m”);
Exit(0);
}
--程序运行结果如下：
$./mkshm
Sgement created: 48033
----shared memory segments-------
Key shmid owner perms bytes nattch status
0x00000000 48033 xdm 666 4096 0

/*atshm.c –与内存结合的程序*/
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
Main（int argc，char *argv[]）
{
Int shmid； /*共享内存标识号*/
Char *shmbuf； /*共享内存在进程虚拟空间的地址*/
If（argc！=2）
{
Printf（“USAGE：atshm shmid\n”）;
Exit(-1);
}
Shmid=atoi（argv[1]）；
/*与共享内存结合*/
If((shmbuf = shmat(shmid,0,0))<(char*)0)
{
Printf(“shm attach error\n”);
Exit(-1);
}
Printf(“segment attach at %p\n”,shmbuf);
System(“ipcs –m”); /*显示结合信息*/
If（（shmdt（shmbuf））<0）
{
Printf(“shm detach error\n”);
Exit(-1);
}
Printf(“segment deached\n”);
System(“ipcs –m”); /*显示分离信息*/
Exit（0）；
}
程序运行结果：
$./ atshm 48033
Sgement attched at 0x40012000
----shared memory segments-------
Key shmid owner perms bytes nattch status
0x00000000 48033 xdm 666 4096 1
Sgement deattched 
----shared memory segments-------
Key shmid owner perms bytes nattch status
0x00000000 48033 xdm 666 4096 0

4.9.5 IPC 对象

通常把 Linux 中使用的 System V IPC 的 3 种通信机制称为 IPC 对象（IPC object）

1．IPC 对象的键值
IPC 对象的另外一个重要特征：系统使用一个键值和一个标识号来识别每一个 IPC 对象。键值和标识号都是唯一的，且一一对应。为什么要使用两种识别方法呢？
因为：IPC 的标识号是创建者进程运行过程中动态生成的，在其他进程中不可见，这样就无 法使用其IPC 对象进行通信；而键值是一个静态的识别码，对所有进程都可见。
生成键值：调用 c 函数 ftok（）。定义：

Key_t ftok(char * pathname, char proj);
Pathname：一个已经存在的路径和文件名；
Proj ：任意字符 

使用同一个 IPC 对象进行通信的相关进程可以使用该函数和相同参数的到该对象的键值。（为了使得相关进程能够得到生成键值的参数，一般的做法是把这些参数组织在一个头部文件中，然后将其包括到进程程序的头部文件中。

2．IPC 对象的访问权限
为了限制进程对 IPC 对象的使用，防止出现混乱。IPC 对其对象规定了一定的访问权限。结构体
ipc_perm 记录着 IPC 对象的访问权限等静态属性。其定义为：

Struct ipc_perm
{
Key_t key； /*IPC 对象键值*/
Unshort uid； /*所有者用户标识*/
Unshort gid； /*所有者组标识*/
Unshort cuid； /*创建者用户标识*/
Unshort cgid； /*创建者组标识*/
Unshort mode； /*访问权限和操作模式*/
Unshort seq /*序列号*/
}

进程访问 IPC 对象时，系统首先要根据该进程的用户标识和组标识，对照访问权限来确定本次访问是否合法。

3．IPC 对象的终端命令
在 linux 中提供了终端上查看和删除 IPC 对象的命令。常用的有 ipcs 和 ipcrm 两条命令。
Ipcs 查看命令常用格式：

ipcs [-asmq]

选择项：
-a 显示所有 IPC 对象信息
-s 显示信号量机制信息
-m 显示共享内存信息
-q 显示消息队列信息

Ipcrm 删除命令常用格式：

Ipcrm[shm|msg|sem] id /*id 为 IPC 对象的标识号*/