Linux系统编程之共享内存

概述

在Linux系统中，共享内存也是一种高效的进程间通信机制，允许两个或多个进程共享同一块物理内存区域。通过这种方式，不同进程可以直接访问和操作相同的数据，从而避免了数据的复制。由于数据直接在内存中共享，没有额外的数据传输过程，因此速度非常快。虽然共享内存本身提供了快速的数据交换方式，但它并不提供同步机制。这意味着，需要我们自己实现同步措施以防止竞态条件。

API接口

在Linux中，主要通过以下几个API接口来实现共享内存机制。

1、shmget：用于创建一个新的共享内存段，或获取一个已存在的共享内存段。其函数原型如下。

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

各个参数和返回值的含义如下。

key：标识共享内存段的键值，通常使用ftok函数生成。

size：共享内存段的大小，以字节为单位。

shmflg：权限标志和创建标志（比如IPC_CREAT、IPC_EXCL等），以及访问权限。

返回值：成功时，返回共享内存标识符。失败时返回-1，可通过errno获取具体的错误代码。

2、shmat：将共享内存段连接到调用进程的地址空间。其函数原型如下。

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

各个参数和返回值的含义如下。

shmid：由shmget函数返回的共享内存标识符。

shmaddr：指定共享内存段应连接到的地址，通常设置为NULL，让系统自动选择。

shmflg：控制共享内存段连接的方式，如SHM_RDONLY表示只读。

返回值：成功时，返回指向共享内存段的指针。失败时返回(void *) -1，可通过errno获取具体的错误代码。

3、shmdt：将共享内存段从调用进程的地址空间分离。其函数原型如下。

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int shmdt(const void *shmaddr);

各个参数和返回值的含义如下。

shmaddr：由shmat返回的地址。

返回值：成功时，返回0。失败时返回-1，可通过errno获取具体的错误代码。

4、shmctl：执行多种控制操作，如获取共享内存段的状态、设置共享内存段的状态、删除共享内存段等。其函数原型如下。

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

各个参数和返回值的含义如下。

shmid：由shmget函数返回的共享内存标识符。

cmd：命令ID，比如，IPC_STAT表示获取状态、IPC_SET表示设置状态、IPC_RMID表示移除段。

buf：根据命令不同，可能需要提供一个指向struct shmid_ds结构体的指针。

返回值：成功时，返回0。失败时返回-1，可通过errno获取具体的错误代码。

实战代码

在下面的实战代码中，我们使用共享内存机制来创建、写入和分离一个共享内存段。

首先，通过调用ftok函数并传入一个路径名和一个项目ID，生成一个唯一的键值，该键值用于后续标识共享内存段。然后，利用shmget函数根据这个键值创建一个新的共享内存段。这里指定共享内存的大小为1024字节，并设置了权限标志，以确保创建时赋予读写权限给所有用户。

一旦成功获得共享内存段的标识符shmid，我们便通过shmat函数将这个共享内存段连接到当前进程的地址空间中。shmat会返回一个指向共享内存起始位置的指针，随后，我们使用strcpy函数将字符串复制到该指针中。

最后，我们调用shmdt函数将共享内存段从当前进程的地址空间中进行了分离。

cpp 复制代码

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main()
{
    // 创建唯一的键
    key_t key = ftok("shmfile", 66);
    
    // 创建共享内存段
    int shmid = shmget(key, 1024, 0666|IPC_CREAT);
    
    // 连接共享内存段
    char *pszBuffer = (char*)shmat(shmid, (void*)0, 0);
    strcpy(pszBuffer, "Hello, Hope_Wisdom");
    printf("Data written in memory: %s\n", pszBuffer);

    // 分离共享内存段
    shmdt(pszBuffer);
    return 0;
}

为了与上面的进程相配合，我们实现了下面的进程，使用共享内存机制来获取、读取和管理一个共享内存段。

首先，我们调用shmget函数根据键值获取一个已经存在的共享内存段。这里指定共享内存的大小为1024字节，并设置了权限标志，以确保创建时赋予读写权限给所有用户。

一旦成功获得共享内存段的标识符shmid，我们便通过shmat函数将这个共享内存段连接到当前进程的地址空间中。shmat会返回一个指向共享内存起始位置的指针，随后，我们直接尝试从该指针读取数据并打印出来。

cpp 复制代码

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>

int main()
{
    // 创建唯一的键
    key_t key = ftok("shmfile", 66);
    
    // 获取共享内存段ID
    int shmid = shmget(key, 1024, 0666|IPC_CREAT);
    
    // 连接共享内存段
    char *pszBuffer = (char*)shmat(shmid, (void*)0, 0);
    printf("Data read from memory: %s\n", pszBuffer);

    // 分离共享内存段
    shmdt(pszBuffer);
    
    // 删除共享内存段
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
    return 0;
}