深入理解共享内存机制

共享内存基本概念

什么是共享内存？顾名思义，共享内存就是将内存进行共享，它允许多个不相关的进程访问同一个逻辑内存，直接将一块裸露的内存放在需要数据传输的进程面前，让它们自己使用。因此，共享内存是效率最高的一种IPC 通信机制，它可以在多个进程之间共享和传递数据，进程间需要共享的数据被放在共享内存区域，所有需要访问该共享区域的进程都要把该共享区域映射到本进程的地址空间中去，因此所有进程都可以访问共享内存中的地址，就好像它们是由用C 语言函数malloc 分配的内存一样。

但是，这种共享的内存需要进程自己去维护好，如同步、互斥等工作，比如当进程1 在读取共享内存的数据时，进程2 却修改了共享内存中的数据，那么必然会造成数据的混乱，进程1 读取到的数据就是错误的，因此，共享内存是属于临界资源，在某一时刻最多只能有一个进程对其操作（读/写数据），共享内存一般不能单独使用，而要配合信号量、互斥锁等协调机制，让各个进程在高效交换数据的同时，不会发生数据践踏、破坏等意外。

共享内存的思想非常简单，进程与进程之间虚拟内存空间本来相互独立，不能互相访问的，但是可以通过某些方式，使得相同的一块物理内存多次映射到不同的进程虚拟空间之中，这样的效果就相当于多个进程的虚拟内存空间部分重叠在一起，如下图所示：

当进程1 向共享内存写入数据后，共享内存的数据就变化了，那么进程2 就能立即读取到变化了的数据，而这中间并未经过内核的拷贝，因此效率极高。

总的来说共享内存有以下特点：

1. 共享内存是进程间通信中效率最高的方式之一。

2. 共享内存是系统出于多个进程之间通讯的考虑，而预留的的一块内存区，因此共享内存是以传输数据为目的的。

3. 共享内存允许两个或更多进程访问同一块内存，当一个进程改变了这块地址中的内容的时候，其它进程都会察觉到这个更改。

4. 共享内存无同步无互斥。

共享内存的优缺点：

shmget() 创建共享内存函数

内核提供了shmget() 函数的创建或获取一个共享内存对象，并返回共享内存标识符。函数原型如下：

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

参数说明：

当调用shmget() 函数失败时将产生错误代码，有如下取值：

shmat() 映射函数

从前文我们就知道了，如果一个进程想要访问这个共享内存，那么需要将其映射到进程的虚拟空间中，然后再去访问它，那么系统提供的shmat() 函数就是把共享内存区对象映射到调用进程的地址空间。函数原型如下：

void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

参数说明：

shmat() 函数调用成功后返回共享内存的起始地址，这样子我们就能操作这个共享内存了。

共享内存的映射有以下注意的要点：

shmdt() 解除映射函数

shmdt() 函数与shmat() 函数相反，是用来解除进程与共享内存之间的映射的，在解除映射后，该进程不能再访问这个共享内存。函数原型：

int shmdt(const void *shmaddr);

参数说明：

shmdt() 函数调用成功返回0，如果出错则返回-1，并且将错误原因存于error 中。

虽然shmdt() 函数很简单，但是还是有注意要点的：该函数并不删除所指定的共享内存区，而只是将先前用shmat() 函数映射好的共享内存脱离当前进程，共享内存还是存在于物理内存中。

shmctl() 获取或设置属性函数

内核提供了shmctl() 用于获取或者设置共享内存的相关属性。函数原型：

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

参数说明：

注意：选项SHM_LOCK 不是锁定读写权限，而是锁定SHM 能否与swap 分区发生交换。一个SHM 被交换至swap 分区后如果被设置了SHM_LOCK，那么任何访问这个SHM 的进程都将会遇到页错误。进程可以通过IPC_STAT 后得到的mode 来检测SHM_LOCKED 信息。

struct shmid_ds {
	struct ipc_perm shm_perm; /* 所有权和权限*/
	size_t shm_segsz; /* 共享内存尺寸（字节） */
	time_t shm_atime; /* 最后一次映射时间*/
	time_t shm_dtime; /* 最后一个解除映射时间*/
	time_t shm_ctime; /* 最后一次状态修改时间*/
	pid_t shm_cpid; /* 创建者PID */
	pid_t shm_lpid; /* 后一次映射或解除映射者PID */
	shmatt_t shm_nattch; /* 映射该SHM 的进程个数*/
	...
};

其中权限信息结构体如下：

struct ipc_perm {
	key_t __key; /* 该共享内存的键值key */
	uid_t uid; /* 所有者的有效UID */
	gid_t gid; /* 所有者的有效GID */
	uid_t cuid; /* 创建者的有效UID */
	gid_t cgid; /* 创建者的有效GID */
	unsigned short mode; /* 读写权限+ SHM_DEST + SHM_LOCKED 标记*/
	unsigned short __seq; /* 序列号*/
};

使用示例

使用共享内存的一般步骤是：

1. 创建或获取共享内存ID。

2. 将共享内存映射至本进程虚拟内存空间的某个区域。

3. 当不再使用时，解除映射关系。

4. 当没有进程再需要这块共享内存时，删除它。

共享内存由于其特性，与进程中的其他内存段在使用习惯上有些不同。一般进程对栈空间分配可以自动回收，而堆空间通过malloc 申请，free 回收，这些内存在回收之后就可以认为是不存在了。但是共享内存不同，用shmdt() 函数解除映射后，实际上其占用的内存还在，并仍然可以使用shmat 映射使用。如果不使用shmctl() 函数删除这个共享内存的话，那么它将一直保留直到系统被关闭，除此之外，我们应该配合信号量去使用共享内存，避免多进程间的随意使用造成数据踩踏。

整个实验的思路是：首先创建system V 信号量用于控制临界区，然后实现两个进程，分别为共享内存写进程，共享内存读进程，在写进程中实现写数据，在读进程中将数据读取，并且打印出来，代码如下：

共享内存写进程

列表1: 共享内存写进程

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

#include "sem.h"


int main()
{
	int running = 1;
	void *shm = NULL;
	struct shared_use_st *shared = NULL;
	char buffer[BUFSIZ + 1];//用于保存输入的文本
	int shmid;
	int semid;;//信号量标识符

	//创建共享内存
	shmid = shmget((key_t)1234, 4096, 0644 | IPC_CREAT);
	if(shmid == -1)
	{
		fprintf(stderr, "shmget failed\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	//将共享内存连接到当前进程的地址空间
	shm = shmat(shmid, (void*)0, 0);
	if(shm == (void*)-1)
	{
		fprintf(stderr, "shmat failed\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	printf("Memory attached at %p\n", shm);

	/** 打开信号量，不存在则创建*/
	semid = semget((key_t)6666, 1, 0666|IPC_CREAT);

	if(semid == -1)
	{
		printf("sem open fail\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}



	while(running)//向共享内存中写数据
	{
		//向共享内存中写入数据
		printf("Enter some text: ");
		fgets(buffer, BUFSIZ, stdin);
		strncpy(shm, buffer, 4096);

		sem_v(semid);/* 释放信号量*/

		//输入了end，退出循环（程序）
		if(strncmp(buffer, "end", 3) == 0)
		running = 0;
	}

	//把共享内存从当前进程中分离
	if(shmdt(shm) == -1)
	{
		fprintf(stderr, "shmdt failed\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	sleep(2);
	exit(EXIT_SUCCESS);
}

代码说明如下：

代码中写入到共享内存后，通过释放信号量操作告知其它进程有可获取的资源，这是常用的共享内存临界段保护方法。

共享内存读进程

列表2: 共享内存读进程

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

#include "sem.h"

int main(void)
{
	int running = 1;//程序是否继续运行的标志
	char *shm = NULL;//分配的共享内存的原始首地址
	int shmid;//共享内存标识符
	int semid;//信号量标识符

	//创建共享内存
	shmid = shmget((key_t)1234, 4096, 0666 | IPC_CREAT);
	if(shmid == -1)
	{
		fprintf(stderr, "shmget failed\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	//将共享内存连接到当前进程的地址空间
	shm = shmat(shmid, 0, 0);
	if(shm == (void*)-1)
	{
		fprintf(stderr, "shmat failed\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	printf("\nMemory attached at %p\n", shm);

	/** 打开信号量，不存在则创建*/
	semid = semget((key_t)6666, 1, 0666|IPC_CREAT); /* 创建一个信号量*/

	if(semid == -1)
	{
		printf("sem open fail\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	init_sem(semid, 0);

	while(running)//读取共享内存中的数据
	{
		/** 等待信号量*/
		if(sem_p(semid) == 0)
		{
			printf("You wrote: %s", shm);
			sleep(rand() % 3);

			//输入了end，退出循环（程序）
			if(strncmp(shm, "end", 3) == 0)
			running = 0;
		}
	}

	del_sem(semid); /** 删除信号量*/

	//把共享内存从当前进程中分离
	if(shmdt(shm) == -1)	
	{
		fprintf(stderr, "shmdt failed\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	//删除共享内存
	if(shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1)
	{
		fprintf(stderr, "shmctl(IPC_RMID) failed\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	exit(EXIT_SUCCESS);
}	

代码说明如下：

实验操作

写进程：在写进程中可以输入任何信息，当输入end 表示结束，此时共享内存将被删除。

# 以下操作在system_programing/shm_write 代码目录进行
# 编译X86 版本程序
make
# 运行X86 版本程序
./build_x86/shm_write_demo

# 以下是运行的输出，随意输入一些内容，输入end 结束
Memory attached at 0x7fde8c9a3000
Enter some text: embedfire
Enter some text: test
Enter some text: hello world
Enter some text: end

读进程：
打开一个新终端，切换至shm_read 目录编译并运行：

# 以下操作在system_programing/shm_read 代码目录进行
# 编译X86 版本程序
make
# 运行X86 版本程序
./build_x86/shm_read_demo

# 以下是运行的输出，随意输入一些内容，输入end 结束
Memory attached at 0x7fa254d44000
You wrote: embedfire
You wrote: test
You wrote: hello world
You wrote: end

小技巧: 在本例子中，若发送进程不是通过end 字符退出（如Ctrl+C 或Ctrl+D），则不会触发读进程主动删除共享内存，在这种情况下可通过ipcs -n 命令查看到该共享内存依然存在，通过ipcrm -m [共享内存shmid] 即可删除。

参考资料:Linux 基础与应用开发实战指南——基于STM32MP1 系列