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linux 共享内存 shmget

article 2024/11/15 21:44:50

专栏内容：linux下并发编程
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座右铭：天行健，君子以自强不息；地势坤，君子以厚德载物．

前言

概述

原理机制

系统命令

接口说明

代码演示

结尾

前言

本专栏主要分享linux下并发编程相关知识，包括多进程，多线程，进程/线程间通信，并发同步控制，以及高并发下性能提升，请大家多多留言。

概述

共享内存是进程间通信的一种常用手段，相较于其它通信方法，它可以在进程间传递大量的不同格式的数据，同时这些数据不需要持久保存在磁盘上。

原理机制

共享内存相当于操作系统在进程的地址空间外，再开辟了一段物理内存，再把这段物理内存映射到进程的虚拟地址空间内，这样进程就可以访问了。

那么不同进程如何知道这段物理内存呢？

所以，第一步是确定一个唯一的key值，把这个key在不同进程间传递，不同进程拿到后就可以用这个key值向操作系统查到共享内存空间。

第二步，就是映射到进程的内存空间。我们都知道，进程的内存空间是一个虚拟地址空间，通过段页机制将物理内存地址转成虚拟内存地址，所以此处的共享内存，也需要把它挂到进程的虚拟地址空间中，进程才可以访问，不然还是找不到。

第三步，此时就可以直接读写了。

第四步，使用完成后，资源需要释放，否则会造成内存泄漏，这可是编程的大忌。因为涉及到多个进程共同使用，当然我们释放有两种形式，一是当前进程不再引用使用，此时共享内存还存在；一种是其它进程不再使用时，删除共享内存，此时共享内存就彻底不存在了。

系统命令

查询共享内存系统资源，使用系统命令

ipcs -m

查询结果如下：

------ Shared Memory Segments --------

key shmid owner perms bytes nattch status

0x0101de21 229412 test 600 8192 1

手动使用系统命令删除共享内存，使用共享内存的id

ipcrm -m shmid

接口说明

接口对应的头文件为

#include <sys/types.h>

#include <sys/ipc.h>

#include <sys/shm.h>

（1）创建和获取已有的共享内存，每个共享内存都有唯一的key来标识，key值可以用IPC_PRIVATE，也可以用ftok函数生成。

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

size ,共享内存的大小，分配时会与PAGE_SIZE向上取整；

shmflg，可以取值

IPC_CREAT	创建共享内存，如果不带时，只是查找key值标识的共享内存
IPC_EXCL	与IPC_CREATE一起使用，如果已经有key标识的共享内存时，就会失败
SHM_HUGETLB	创建大页内存，一般页面大小为2KB/4KB，这里可以使更大的页面，在密集型读时可以得到性能提升；
SHM_HUGE_2MB	同上，创建2MB的大页内存
SHM_NORESERVE	不为此共享内存使用swap空间

（2）映射到进程私有虚拟地址空间

void * shmat(int shmid, char __user * shmaddr, int shmflg);

将shmid标识的共享内存，映射到shmaddr对应的进程内存地址上，映射后的地址是与SHMLBA向下对齐的地址。如果地址为空，则由系统选择一块进程空闲空间进行映射。

关于SHMLBA，这是关于CPU cache调度相关，有些话长，在另外一篇博文中专门解释。

shmflg，标识共享内存的使用权限，可以取值

SHM_EXEC	共享内存可以有执行权限
SHM_RDONLY	以只读权限使用共享内存
SHM_REMAP	如果当前映射地址已经有映射有其它共享内存，可以进行替换

（3）解除与当前进程的映射

int shmdt(const void *shmaddr);

当然这里只是与当前进程解除了映射，内核资源也仅仅对引用计数减一，并没有删除；

（4）删除共享内存资源

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

此系统函数，可以对共享内存进行一些控制操作，其中包括删除共享资源，由cmd来指定对应的操作；

cmd，可以取下面的值

IPC_STAT	调用者需要有读权限，会将kernal中共享内存信息拷到buf中返回
IPC_SET	可以设置shmid_ds结构成员的信息
IPC_RMID	销毁共享内存，当然必须是引用计数为0，调用者一定是创建者或最后一个使用进程
IPC_INFO	获取共享内存的系统限制相关参数值
SHM_INFO	获取共享内存资源使用情况
SHM_STAT	同IPC_STAT
SHM_LOCK	锁定共享内存，此时内存页面不会被替换
SHM_UNLOCK	解除锁定

（5）ftok系统函数对应的头文件与声明如下：

#include <sys/types.h>

#include <sys/ipc.h>

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

代码演示

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>

#define SHM_SIZE 8192
int main(int argc ,char *argv[])
{
        key_t   shm_key = ftok(".", 1);
        int shm_id = -1;
        char *pshm = NULL;
        char str[] = "Hello, World!";
        int pid = 0;
        int underSubprocess = 0;

        shm_id = shmget(shm_key, SHM_SIZE, 0600|IPC_CREAT);
        if(shm_id < 0)
        {
                printf("get shm error [%s]\n",strerror(errno));
                return -1;
        }

        pshm = (char *)shmat(shm_id, NULL, 0);
        if(pshm == (char *)-1)
        {
                printf("attach sharememory error [%s]\n", strerror(errno));
                return -1;
        }

        pid = fork();
        if(pid == 0)
        {
                // under subprocess
                printf("I'm in the subprocess\n");
                sleep(2);
                printf("recv: %s\n",pshm);
                underSubprocess = 1;
        }
        else if(pid > 0)
        {
                strncpy(pshm, str, sizeof(str));

                sleep(5);
                printf("I'm father ,will exit.\n");
        }
        else
        {
                printf("fork error\n");
        }

        if(-1 == shmdt(pshm))
        {
                printf("detach sharememory error [%s]\n",strerror(errno));
                return -1;
        }

        if(underSubprocess == 0)
                shmctl(shm_id, IPC_RMID, NULL);

        return 0;
}

在运行过程中查看系统共享内存