💐專欄導讀

🌸作者簡介：花想云 ，在讀本科生一枚，C/C++領域新星創作者，新星計劃導師，阿里云專家博主，CSDN內容合伙人…致力于 C/C++、Linux 學習。

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💐文章導讀

共享內存是一種進程間通信的機制，允許多個進程訪問同一塊物理內存，以實現數據的共享。通過共享內存，進程可以直接讀寫共享的內存區域，而無需通過中間的數據傳輸機制（例如管道或消息隊列）進行通信，因此共享內存是最快的IPC形式。

共享內存示意圖

🐧共享內存原理

1. 創建共享內存： 在一個進程中調用系統調用（例如 shmget），請求創建一塊共享內存。這個調用需要指定內存的大小以及一些標志，以控制共享內存的權限和行為。

2. 關聯共享內存： 其他進程通過調用系統調用（例如 shmat）將共享內存附加到它們的地址空間中。這個調用返回指向共享內存區域的指針，使得進程可以直接讀寫這塊內存。

3. 讀寫共享內存： 一旦多個進程都關聯了同一塊共享內存，它們就可以直接對這塊內存進行讀寫操作，就像操作普通的內存一樣。因為它們共享同一塊物理內存，一個進程對共享內存的修改會立即反映到其他進程的視圖中。

4. 分離共享內存： 當進程不再需要訪問共享內存時，它可以調用系統調用（例如 shmdt）將共享內存從它的地址空間中分離。這并不會導致共享內存的刪除，只是使得該進程無法再訪問這塊內存。

5. 刪除共享內存： 當不再需要使用共享內存時，一個進程可以調用系統調用（例如 shmctl）請求刪除共享內存。這會導致釋放共享內存所占用的系統資源。

特點和注意事項：

• 共享內存提供了高效的進程間通信方式，因為數據直接存儲在物理內存中，無需復制或轉移。
• 進程需要謹慎地協調對共享內存的訪問，以避免數據一致性問題。例如，可以使用互斥鎖等同步機制。
• 共享內存的使用需要確保不同進程使用相同的數據結構和協議，以便正確地進行數據交換和共享。
• 在使用共享內存時，應注意防范競態條件和死鎖等并發編程的問題。

🐧共享內存相關函數

1. 創建共享內存區域： 使用 shmget 函數創建一個共享內存區域。該函數的原型為：

   #include <sys/ipc.h>
   #include <sys/shm.h>int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
   

   • key 是一個用于標識共享內存的鍵值。
   • size 是要分配的共享內存的大小（字節數）。
   • shmflg 是一組標志，通常使用 IPC_CREAT 表示如果內存不存在則創建。

2. 連接到共享內存區域： 使用 shmat 函數將進程連接到已經存在的共享內存區域。該函數的原型為：

   #include <sys/types.h>
   #include <sys/shm.h>void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
   

   • shmid 是共享內存區域的標識符，由 shmget 返回。
   • shmaddr 通常設置為 NULL，讓系統自動選擇合適的地址。
   • shmflg 可以為 0。

3. 使用共享內存： 一旦連接到共享內存，進程就可以直接在這塊內存中讀寫數據。

4. 分離共享內存： 使用 shmdt 函數將進程與共享內存脫離。該函數的原型為：

   #include <sys/types.h>
   #include <sys/shm.h>int shmdt(const void *shmaddr);
   

   • shmaddr 是連接到共享內存區域的地址。

5. 刪除共享內存區域： 使用 shmctl 函數可以刪除或控制共享內存區域的屬性。如果不再需要共享內存，可以使用 shmctl 函數的 IPC_RMID 命令刪除它。函數原型為：

   #include <sys/ipc.h>
   #include <sys/shm.h>int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
   

   • shmid 是共享內存區域的標識符。
   • cmd 為控制命令，可以使用 IPC_RMID 表示刪除共享內存。

這些函數提供了對共享內存的創建、連接、使用和刪除的基本操作。

🐦key 與 shmid 區別

在上面所示的接口中，shmget 函數需要一個 key_t 類型的參數 key。而其他的函數多數用到 shmid 而不會用到 key，那么這兩個參數分別是什么，有什么區別呢？

1. key（鍵值）：

   • key 是一個整數，用于在共享內存創建過程中唯一標識一個共享內存段。
   • 它并不是由系統自動生成的，而是由應用程序提供的，通常以某種方式與程序的邏輯相關。
   • 可以使用 ftok 函數將路徑名和一個整數標識符轉換為 key，以便在創建共享內存時使用。
   • key 通常用于在不同的進程之間共享相同的內存塊，因此它是創建共享內存的關鍵參數之一。

2. shmid（共享內存標識符）：

   • shmid 是一個由系統生成的標識符，用于標識已經創建的共享內存段。
   • 在使用 shmget 函數創建共享內存時，它通過返回值返回給調用者，用于后續的操作。
   • shmid 是由系統內核分配的，通常是一個唯一的整數。
   • 通過 shmat 函數將進程連接到共享內存時，需要使用 shmid 作為參數。

總的來說，key 是在共享內存創建時由應用程序指定的用戶定義的標識符，而 shmid 是由系統內核在共享內存創建時自動生成的系統級標識符。key 用于唯一標識共享內存的名字，而 shmid 用于在程序運行時標識特定的共享內存實例。

shm可以用于多個進程之間通信，在同一時刻，可能有多個共享內存被用來進行通信。所以系統中一定會有很多個共享內存同時存在，那么系統就會采取一定措施來管理這些共享內存。所以共享內存并不是單單的一塊內存空間，系統會為它構建一個結構體對象來描述它。

• 所以，共享內存 = 內核數據結構 + 真正開辟的內存空間；

共享內存數據結構

struct shmid_ds {
struct ipc_perm shm_perm; /* operation perms */
int shm_segsz; /* size of segment (bytes) */
__kernel_time_t shm_atime; /* last attach time */
__kernel_time_t shm_dtime; /* last detach time */
__kernel_time_t shm_ctime; /* last change time */
__kernel_ipc_pid_t shm_cpid; /* pid of creator */
__kernel_ipc_pid_t shm_lpid; /* pid of last operator */
unsigned short shm_nattch; /* no. of current attaches */
unsigned short shm_unused; /* compatibility */
void *shm_unused2; /* ditto - used by DIPC */
void *shm_unused3; /* unused */
};

兩個進程使用共享內存進行通信的前提是，如何讓兩個進程使用同一塊共享內存。內存中有許許多多的共享內存，我們如何讓兩個進程使用一個共享內存呢？

這就要提到另一個函數 ftok 了。

ftok 函數是一個用于生成System V IPC（Inter-Process Communication，進程間通信）的鍵值的函數。它的主要用途是在創建System V IPC對象（如消息隊列、信號量、共享內存）時，為這些對象生成唯一的鍵值。

函數原型如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

• pathname 是一個與文件相關的路徑名，用于生成鍵值。通常是指向一個存在的文件的路徑。
• proj_id 是一個用戶定義的整數，用于區分不同的IPC對象。在不同的IPC對象中，如果 pathname 相同，而 proj_id 不同，生成的鍵值也會不同。

ftok 函數通過將 pathname 轉換為一個唯一的鍵值，以確保在不同的進程中使用相同的 pathname 和 proj_id 參數生成的鍵值是一致的。

一般來說，ftok 函數的使用場景是在創建System V IPC對象之前，通過調用 ftok 來生成一個唯一的鍵值。這個鍵值將被傳遞給諸如 msgget、semget、shmget 等函數，用于創建具體的消息隊列、信號量或共享內存段。

需要注意的是，ftok 存在一些限制和注意事項，比如需要確保 pathname 指向的文件是存在的，否則 ftok 會返回 -1。此外，由于 proj_id 是一個整數，因此其范圍應在0到255之間，以保證生成的鍵值在合理的范圍內。

所以，key 是在內核中使用的，類比文件的 inode 編號。而 shmid 是給用戶使用的，類比文件的文件描述符 fd。

🐧代碼實例

接下來，我們就通過一個簡單的代碼設計來熟悉共享內存的使用。該設計的內容是，通過共享內存讓兩個進程（Server 與 Client）進行通信。

communicate.hpp

該頭文件內提供shm所用到的函數方法。

/* communicate.hpp */#ifndef __COMM_HPP__
#define __COMM_HPP__#include <iostream>
#include <cerrno>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <cassert>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>using namespace std;#define PATHNAME "." // 文件路徑（用于key生成）
#define PROJID 0x12138 // 項目ID（用于key生成）const int gsize = 4096;key_t getKey() // 獲取鍵值
{key_t key = ftok(PATHNAME, PROJID);if (key == -1){cerr << "error: " << errno << " : " << strerror(errno) << endl;exit(1);}return key;
}static int createShmHelper(key_t key, int size, int flag)
{int shmid = shmget(key, gsize, flag);if (shmid == -1){cerr << "error: " << errno << " : " << strerror(errno) << endl;exit(2);}return shmid;
}int createShm(key_t key, int size) // 創建共享內存
{umask(0);return createShmHelper(key, size, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
}int getShm(key_t key, int size) // 獲取共享內存
{umask(0);return createShmHelper(key, size, IPC_CREAT);
}char *attachShm(int shmid) // 關聯共享內存
{char *start = (char *)shmat(shmid, nullptr, 0); // 將共享內存段連接到進程地址空間return start;
}void detachShm(char *start) // 去關聯
{int n = shmdt(start); // 將共享內存段與當前進程脫離assert(n != -1);(void)n;
}void delShm(int shmid) // 釋放共享內存
{int n = shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr); // 釋放共享內存assert(n != -1);(void)n;
}#define SERVER 1
#define CLIENT 0class Init
{
public:Init(int type): type(type){key_t key = getKey();if (type == SERVER)shmid = createShm(key, gsize);elseshmid = getShm(key, gsize);start = attachShm(shmid);}char *getStart() { return start; }~Init(){detachShm(start);if (type == SERVER)delShm(shmid); // 只有共享內存創建者才負責釋放}private:char *start; // 起始地址int type;    // server or clientint shmid;
};#endif

Server

/* Server.cc */
#include "communicate.hpp"
#include <unistd.h>using namespace std;int main()
{   // 建立連接Init init(SERVER);char *start = init.getStart();// 開始通信int n = 0;while (n <= 30){cout << "client -> server# " << start << endl;sleep(1);n++;}return 0;
}

Client

/* Client.cc */
#include "communicate.hpp"
using namespace std;int main()
{// 建立連接Init init(CLIENT);char *start = init.getStart();// 開始通信char c = 'A';while (c <= 'Z'){start[c - 'A'] = c;c++;start[c - 'A'] = 0;sleep(1);}return 0;
}

效果展示

注意

當我們運行完一次程序后，再次運行程序會發生錯誤：

$ ./server 
error: 17 : File exists

原因是，上次程序運行時創建的共享內存仍然存在，可以使用 ipcs -m 指令來查看已經有的共享內存：

$ ipcs -m------ Shared Memory Segments --------
key        shmid      owner      perms      bytes      nattch     status      
0x3801203f 0          hxy        666        4096       0                       

由此可見，共享內存的生命周期是隨系統的，不隨進程。

我們可以使用 ipcrm -m 指令刪除指定的共享內存：

$ ipcrm -m shmid

本章的內容到這里就結束了！如果覺得對你有所幫助的話，歡迎三連~