进程间通信（IPC）之共享内存 (SharedMemory)

2021-08-10 IPC, Linux 评论字数统计: 2.6k(字) 阅读时长: 10(分)

关于进程间通信的概述可以查看Linux 操作系统 - 进程间通信，代码同步在这里。

本文通过实例介绍通过共享内存实现进程间通信。

shmget(得到一个共享内存标识符或创建一个共享内存对象)

我们可以通过shmget函数创建或打开共享内存，通过函数签名

//key_t key:  唯一定位一个共享内存对象
//size_t size: 共享内存大小
//int flag: 如果是 IPC_CREAT 表示创建新的共享内存空间
int shmget(key_t key, size_t size, int flag);

第一个参数是共享内存的唯一标识，是需要我们指定的。那么如何指定key呢？如何保证唯一性呢？我们可以指定一个文件，ftok会根据这个文件的 inode，生成一个近乎唯一的 key。只要在这个消息队列的生命周期内，这个文件不要被删除就可以了。只要不删除，无论什么时刻，再调用 ftok，也会得到同样的key。
第二个参数是申请的空间大小，我们就申请 1024B。
第三个参数是权限标识，IPC_CREAT表示创建共享内存，0644表示允许一个进程创建的共享内存被内存创建者所拥有的进程向共享内存读取和写入数据，同时其他用户创建的进程只能读取共享内存。

shmat(把共享内存区对象映射到调用进程的地址空间)

第一次创建完共享内存时，它还不能被任何进程访问，shmat()函数的作用就是用来启动对该共享内存的访问，并把共享内存连接到当前进程的地址空间。它的签名如下：

void *shmat(int shm_id, const void *shm_addr, int shmflg);

第一个参数就是上文产生的唯一标识。
第二个参数，shm_addr指定共享内存连接到当前进程中的地址位置，通常为空，表示让系统来选择共享内存的地址。
第三个参数，shm_flg是一组标志位，通常为 0。
调用成功时返回一个指向共享内存第一个字节的指针，如果调用失败返回-1.

(void *) - 1把-1转换为指针0xFFFFFFFF，有时也会用到(void*)0，表示一个空指针。

shmdt(断开共享内存连接)

与 shmat 函数相反，是用来断开与共享内存附加点的地址，禁止本进程访问此片共享内存

函数签名如下：

int shmdt(const void *shmaddr)

参数一shmaddr为连接共享内存的起始地址。

需要注意的是，本函数调用并不删除所指定的共享内存区，而只是将先前用 shmat 函数连接（attach）好的共享内存脱离（detach）目前的进程。删除共享内存就需要下面的这个函数。

shmctl(共享内存管理)

完成对共享内存的控制，包括改变状态，删除共享内存等。

函数签名如下：

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

shmid共享内存唯一标识符
cmd执行的操作，包括如下
- IPC_STAT：得到共享内存的状态，把共享内存的shmid_ds结构复制到buf中
- IPC_SET：改变共享内存的状态，把buf所指的shmid_ds结构中的uid、gid、mode复制到共享内存的shmid_ds结构内
- IPC_RMID：删除这片共享内存
buf共享内存管理结构体。具体说明参见共享内存内核结构定义部分

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

int main(void)
{
    int shmid;
    key_t shmkey;
    char *shmptr;
    shmkey = ftok("./client.c", 0);
    // 创建或打开内存共享区域
    shmid = shmget(shmkey, 1024, 0666 | IPC_CREAT);
    if (shmid == -1)
    {
        printf("shmget error!\n");
        exit(1);
    }

    //将共享内存映射到当前进程的地址中，
    //之后直接对进程中的地址 addr 操作就是对共享内存操作
    shmptr = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);
    if (shmptr == (void *)-1)
    {
        printf("shmat error!\n");
        exit(1);
    }

    while (1)
    {
        // 把用户的输入存到共享内存区域中
        printf("input:");
        scanf("%s", shmptr);
    }
    exit(0);
}

//client.c
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int main(void)
{
    int shmid;
    char *shmptr;
    key_t shmkey;
    shmkey = ftok("./client.c", 0);
    // 创建或打开内存共享区域
    shmid = shmget(shmkey, 1024, 0666 | IPC_CREAT);
    if (shmid == -1)
    {
        printf("shmget error!\n");
        exit(1);
    }

    //将共享内存映射到当前进程的地址中，
    //之后直接对进程中的地址 addr 操作就是对共享内存操作
    shmptr = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);
    if (shmptr == (void *)-1)
    {
        fprintf(stderr, "shmat error!\n");
        exit(1);
    }

    while (1)
    {
        // 每隔 3 秒从共享内存中取一次数据并打印到控制台
        printf("string:%s\n", shmptr);
        sleep(3);
    }
    exit(0);
}

在两个终端分别运行client和server，client会每三秒在终端打印出server输入的内容。

如何手动删除共享内存？

列出所有的共享内存段：

ipcs -m
------------ 共享内存段 --------------
键        shmid      拥有者  权限     字节     连接数  状态      
0x00000000 2          dominic    600        16384      1          目标       
0x00000000 753668     dominic    606        10089696   2          目标       
0x00000000 622597     dominic    600        4194304    2          目标       
0x00000000 753670     dominic    606        10089696   2          目标       
0x00000000 688135     dominic    600        899976     2          目标       
0x00000000 8          dominic    600        524288     2          目标       
0x00000000 9          dominic    600        524288     2          目标       
0x00000000 753674     dominic    600        7127040    2          目标 
0x0000006f 720918     dominic    666        1024        0

我们发现最后一个键值为0x0000006f = 111的共享内存段，就是我们创建的共享内存段。
删除指定共享内存段：

ipcrm -m 720918  
或者 
ipcrm -M 0x0000006f

信号量和消息队列的操作，命令类似，只是参数不同。
查看命令：

ipcs [-m|-q|-s]

-m 输出有关共享内存 (shared memory) 的信息
-q 输出有关信息队列 (message queue) 的信息
-s 输出有关“信号量”(semaphore) 的信息

删除命令

ipcrm [ -M key | -m id | -Q key | -q id | -S key | -s id ]

-M用 shmkey 删除共享内存
-m用 shmid 删除共享内存
-Q用 msgkey 删除消息队列
-q用 msgid 删除消息队列
-S用 semkey 删除信号量
-s用 semid 删除信号量

超过共享内存的大小限制

共享内存的总体大小是有限制的，这个大小通过 SHMMAX 参数来定义（以字节为单位），您可以通过执行以下命令来确定 SHMMAX 的值：

cat /proc/sys/kernel/shmmax

如果机器上创建的共享内存的总共大小超出了这个限制，在程序中使用标准错误perror可能会出现以下的信息：

unable to attach to shared memory

1、设置 SHMMAX

　　SHMMAX 的默认值是 32MB 。一般使用下列方法之一种将 SHMMAX 参数设为 2GB ：
通过直接更改 /proc 文件系统，你不需重新启动机器就可以改变 SHMMAX 的默认设置。我使用的方法是将以下命令放入 />etc/rc.local 启动文件中：

echo "2147483648" > /proc/sys/kernel/shmmax

您还可以使用 sysctl 命令来更改 SHMMAX 的值：

sysctl -w kernel.shmmax=2147483648

最后，通过将该内核参数插入到/etc/sysctl.conf 启动文件中，您可以使这种更改永久有效：

echo "kernel.shmmax=2147483648" >> /etc/sysctl.conf

2、设置 SHMMNI

我们现在来看 SHMMNI 参数。这个内核参数用于设置系统范围内共享内存段的最大数量。该参数的默认值是 4096 。这一数值已经足够，通常不需要更改。您可以通过执行以下命令来确定 SHMMNI 的值：

cat /proc/sys/kernel/shmmni

3、设置 SHMALL

最后，我们来看 SHMALL 共享内存内核参数。该参数控制着系统一次可以使用的共享内存总量（以页为单位）。简言之，该参数的值始终应该至少为：ceil(SHMMAX/PAGE_SIZE)

SHMALL 的默认大小为 2097152 ，可以使用以下命令进行查询：

cat /proc/sys/kernel/shmall

　　SHMALL 的默认设置对于我们来说应该足够使用。注意：在 i386 平台上 Red Hat Linux 的页面大小为 4096 字节。但是，您可以使用 bigpages ，它支持配置更大的内存页面尺寸。

多次进行 shmat 操作会出现什么问题

一个进程是可以对同一个共享内存多次 shmat 进行挂载的，物理内存是指向同一块，如果 shmaddr 为 NULL，则每次返回的线性地址空间都不同。而且指向这块共享内存的引用计数会增加。也就是进程多块线性空间会指向同一块物理地址。这样，如果之前挂载过这块共享内存的进程的线性地址没有被shmdt掉，即申请的线性地址都没有释放，就会一直消耗进程的虚拟内存空间，很有可能会最后导致进程线性空间被使用完而导致下次 shmat 或者其他操作失败。

shmget 创建共享内存，当 key 相同时，什么情况下会出错？

当创建一个新的共享内存区时，size 的值必须大于 0；如果是访问一个已经存在的内存共享区，则置 size 为 0。

已经创建的共享内存的大小是可以调整的，但是已经创建的共享内存的大小只能调小，不能调大

当多个进程都能创建共享内存的时候，如果 key 出现相同的情况，并且一个进程需要创建的共享内存的大小要比另外一个进程要创建的共享内存小，共享内存大的进程先创建共享内存，共享内存小的进程后创建共享内存，小共享内存的进程就会获取到大的共享内存进程的共享内存，并修改其共享内存的大小和内容，从而可能导致大的共享内存进程崩溃。

ftok 是否一定会产生唯一的 key 值？

ftok 原型如下：

key_t ftok(char * pathname, int proj_id)

pathname就时你指定的文件名，proj_id是子序号。在一般的 UNIX 实现中，是将文件的索引节点号取出，前面加上子序号得到key_t的返回值。如指定文件的索引节点号为 65538，换算成 16 进制为0×010002，而你指定的proj_id值为38，换算成 16 进制为0×26，则最后的key_t返回值为0×26010002。

本文链接： https://lifeislife.cn/2021/08/10/进程间通信（IPC）之共享内存（SharedMemory）/

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