[Linux] 共享内存
在Linux中，共享内存是一种允许不同进程之间直接交换数据的高效机制。它是IPC（Inter-Process Communication，进程间通信）的一种方式，允许多个进程通过映射同一块物理内存区域来实现数据共享，而无需使用内核来中转数据，从而大大提高了效率。
本文将介绍Linux共享内存的基本概念、使用方法以及在实际开发中的应用。
1. 什么是共享内存
共享内存允许不同进程访问同一块物理内存。多个进程可以将这块共享内存映射到各自的地址空间，进而可以高效地交换数据。这种方式比通过管道、消息队列或套接字传递数据要高效，因为数据直接存在共享内存中，避免了内核的中间转发。
2. 共享内存的特点
- 高效性：共享内存不经过内核转发，因此进程间通信速度极快，特别适合大规模数据交换。
- 易于管理：共享内存通过标准的内存管理方法进行访问和控制，使用起来比较直观。
- 同步问题：由于多个进程可以同时访问同一块内存，可能会出现竞争条件。因此，必须通过某种同步机制（如信号量）来保证数据的一致性。
3. Linux中共享内存的实现
在Linux中，共享内存通常通过shmget、shmat、shmdt等系统调用来进行管理。使用这些调用可以创建、连接、分离和控制共享内存区。
创建共享内存段
首先，进程需要调用shmget来创建共享内存段。该函数的定义如下：
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
key: 一个标识共享内存段的键值，通常通过ftok函数生成。size: 共享内存段的大小，单位为字节。shmflg: 控制共享内存段创建的标志。常用的标志有：IPC_CREAT: 如果共享内存段不存在，则创建一个新的共享内存段。IPC_EXCL: 如果共享内存段已经存在，返回错误。
映射共享内存到进程地址空间
创建共享内存后，进程需要使用shmat来将共享内存映射到自己的地址空间：
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
shmid: 通过shmget返回的共享内存段的标识符。shmaddr: 可选，指定共享内存的映射地址，通常为NULL，由系统自动分配。shmflg: 映射标志，常用值有SHM_RDONLY（只读）和0（读写）。
返回值是共享内存段的首地址，进程可以通过该地址进行数据读写。
分离共享内存
当进程不再需要访问共享内存时，可以调用shmdt将其从进程的地址空间中分离：
int shmdt(const void *shmaddr);
shmaddr: 共享内存段的首地址。
删除共享内存段
最后，如果共享内存段不再使用，可以调用shmctl删除它：
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
shmid: 共享内存段的标识符。cmd: 操作类型，IPC_RMID表示删除共享内存段。buf: 一个指向shmid_ds结构体的指针，通常传入NULL即可。
4. 共享内存的同步问题
共享内存本身并不提供同步机制，因此在多个进程同时访问共享内存时，必须显式地使用一些同步工具来避免数据竞争。
最常见的同步工具有：
- 信号量（Semaphore）：信号量用于控制多个进程对共享资源的访问。可以通过
semget、semop等系统调用来使用。 - 互斥锁（Mutex）：类似于信号量，但专门用于保证在任意时刻只有一个进程可以访问共享内存。
5. 共享内存的应用场景
- 高速缓存：在多进程应用中，多个进程可能需要访问大量的共享数据。通过共享内存，可以避免数据的复制，从而提高系统性能。
- 数据交换：在多个进程之间频繁交换大量数据时，共享内存能够提供比管道、消息队列更高的效率。
- 分布式计算：多个计算进程可以通过共享内存交换计算结果，在高性能计算中尤为重要。
6. 示例代码：创建和使用共享内存
下面是一个简单的共享内存示例，演示了如何创建共享内存、写入数据、然后读取数据。
ShareMemory.hpp
#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>
const std::string gpath = "/home/an/code";
const int gprojId = 0x6666;
//
const int gshmsize = 4096;
mode_t gmode = 0600;
std::string ToHex(key_t key)
{
char buff[gshmsize];
snprintf(buff, sizeof(buff), "0x%x", key);
return buff;
}
class ShareMemory
{
private:
void CreatMemoryHelper(int shmflg)
{
// 1.创建key
// ftok()
_key = ::ftok(gpath.c_str(), gprojId);
if (_key < 0)
{
std::cerr << "ftok error" << std::endl;
return;
}
// 2.
int _shmid = ::shmget(_key, gshmsize, shmflg);
if (_shmid < 0)
{
std::cerr << "shm get error." << std::endl;
return;
}
}
public:
ShareMemory()
: _shmid(-1)
,_key(0)
,_addr(nullptr)
{
}
~ShareMemory()
{
}
void CreatMemory()
{
CreatMemoryHelper(IPC_CREAT | IPC_EXCL | gmode);
}
void GetShm()
{
CreatMemoryHelper(IPC_CREAT);
}
void AttachShm()
{
_addr = shmat(_shmid, nullptr, 0); // 为什么会失败？？？
if ((long long)_addr == -1)
{
std::cout << "attach error" << std::endl;
return;
}
return;
}
void DetachShm()
{
if (_addr != nullptr)
::shmdt(_addr);
std::cout << "detach done: " << std::endl;
}
void DeleteShm()
{
shmctl(_shmid, IPC_RMID, nullptr);
}
void *GetAddr()
{
return _addr;
}
void ShmMeta()
{
}
private:
int _shmid;
key_t _key;
void *_addr;
};
//临时
ShareMemory shm;Server.cc
#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include "ShareMemory.hpp"
int main()
{
shm.CreatMemory();
shm.AttachShm();
std::cout << "server attach done" << std::endl;
sleep(10);
shm.DetachShm();
std::cout << "server detach done" << std::endl;
sleep(10);
shm.DeleteShm();
std::cout << "server delete done" << std::endl;
sleep(10);
return 0;
}
Client.cc
#include <iostream>
#include "ShareMemory.hpp"
int main()
{
shm.GetShm();
shm.AttachShm();
//在这里进行IPC
shm.DetachShm();
shm.DeleteShm();
return 0;
}
7. 总结
Linux共享内存为进程间数据交换提供了一种高效、低延迟的方式。它通过直接映射内存区域来避免了数据的复制和内核的干预，是需要高性能通信的应用程序中不可或缺的技术。然而，共享内存也带来了同步和访问控制的挑战，开发者需要谨慎设计以保证数据一致性和安全性。