linux下的进程间通信之共享内存

概念：这种机制允许两个或多个进程通过把公共数据结构放入一个共享内存区来访问它们。如果进程要访问这种数据结构所在的共享内存区，就必须在自己的地址空间中增加一个新线性区，新线性区映射与这个共享内存区相关的页框。这样的页框可以由内核通过请求调页进行简单的处理。

优点：共享内存（shared memory）是最简单的最大自由度的Linux进程间通信方式之一。使用共享内存，不同进程可以对同一块内存进行读写。由于所有进程对共享内存的访问就和访问自己的内存空间一样，而不需要进行额外系统调用或内核操作，同时还避免了多余的内存拷贝，所以，这种方式是效率最高、速度最快的进程间通信方式。

缺点：内核并不提供任何对共享内存访问的同步机制，比如同时对共享内存的相同地址进行写操作，则后写的数据会覆盖之前的数据。所以，使用共享内存一般还需要使用其他IPC机制（如信号量）进行读写同步与互斥。

基本原理

了解Linux内存管理机制，就很容易知道共享内存的原理了。大家知道，内核对内存的管理是以页（page）为单位的，Linux下一般一个page大小是4k。而程序本身的虚拟地址空间是线性的，所以内核管理了进程从虚拟地址空间到起对应的页的映射。创建共享内存空间后，内核将不同进程虚拟地址的映射到同一个页面：所以在不同进程中，对共享内存所在的内存地址的访问最终都被映射到同一页面。下图演示了共享内存的工作机制：

使用方法

共享内存的使用过程可分为 创建->连接->使用->分离->销毁 这几步。

共享内存的创建使用shmget函数（SHared Memory GET）函数，使用方法如下：

int segment_id = shmget (shm_key, getpagesize (),IPC_CREAT | S_IRUSR | S_IWUSER);
shmget根据shm_key创建一个大小为page_size的共享内存空间，参数3是一系列的创建参数。如果shm_key已经创建，使用该shm_key会返回可以连接到该以创建共享内存的id。
创建后，为了使共享内存可以被当前进程使用，必须紧接着进行连接操作。使用函数shmat（SHared Memory ATtach），参数传入通过shmget返回的共享内存id即可：

shared_memory = (char*) shmat (segment_id, 0, 0);
shmat返回映射到进程虚拟地址空间的地址指针，这样进程就能像访问一块普通的内存缓冲一样访问共享内存。例子中后两个参数我们全部传入0，采用默认的连接方式。实际上，第二个参数是希望连接的进程虚拟地址空间的地址，如果使用0，Linux会自己选用一个合适的地址；第三个参数是连接选项，可以是：
SHM_RND：将第二个参数指向的内存空间自动提升到page size的整数倍，如果不知明该参数，你需要自己控制第二个参数所指内存空间的大小。

SHM_RDONLY：该共享内存是只读的，不可写。

当共享内存使用完毕后，使用函数shmdt (SHared Memory DeTach)进行解连接。该函数以shmat返回的内存地址作为参数。每最后一个使用该共享内存的进程分离该共享内存后，内核将会对该共享内存自动销毁。当然，我们最好能显式的进行销毁，以避免不必要的共享内存资源浪费。 函数shmctl (SHared Memory ConTroL)可以返回共享内存的信息并对其进行控制，如

shmctl (segment_id, IPC_STAT, &shmbuffer);
可以返回该共享内存的信息，并将信息保存在第三个参数指向的shmid_ds结构体中。
当向第二个参数传入IPC_RMID时，共享内存将会在最后一个使用该共享内存的进程分离共享内存是销毁共享内存。

shmctl还有很多其他使用方法， 不再赘述。

示例程序

下面的示例程序，a进程每一秒的向共享内存写入一个随机数，b进程每隔一秒从该共享内存读出该数。

/*
* a.c
* write a random number between 0 and 999 to the shm every 1 second
*/
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/shm.h>
#include<stdlib.h>
#include<error.h>
int main(){
int shm_id;
int *share;
int num;
srand(time(NULL));
shm_id = shmget (1234, getpagesize(), IPC_CREAT);
if(shm_id == -1){
perror("shmget()");
}
share = (int *)shmat(shm_id, 0, 0);
while(1){
num = random() % 1000;
*share = num;
printf("write a random number %d\n", num);
sleep(1);
}
return 0;
}

/*
* b.c
* read from the shm every 1 second
*/
#include<stdio.h>
#include<unistd.h>
#include<sys/shm.h>
#include<stdlib.h>
#include<error.h>
int main(){
int shm_id;
int *share;
shm_id = shmget (1234, getpagesize(), IPC_CREAT);
if(shm_id == -1){
perror("shmget()");
}
share = (int *)shmat(shm_id, 0, 0);
while(1){
sleep(1);
printf("%d\n", *share);
}
return 0;
}