UNIX环境高级编程——System V 共享内存区

共享内存区域是被多个进程共享的一部分物理内存。如果多个进程都把该内存区域映射到自己的虚拟地址空间，则这些进程就都可以直接访问该共享内存区域，从而可以通过该区域进行通信。共享内存是进程间共享数据的一种最快的方法，一个进程向共享内存区域写入了数据，共享这个内存区域的所有进程就可以立刻看到其中的内容。这块共享虚拟内存的页面，出现在每一个共享该页面的进程的页表中。但是它不需要在所有进程的虚拟内存中都有相同的虚拟地址。

共享内存的实现，分为两个步骤：
a. 创建共享内存，使用 shmget 函数。
b. 映射共享内存，将这段创建的共享内存映射到具体的进程空间去，使用 shmat 函数。

对于每个共享内存区，内核维护如下的信息结果，它定义在<sys/shm.h>头文件中：

           struct shmid_ds {
               struct ipc_perm shm_perm;    /* Ownership and permissions */
               size_t          shm_segsz;   /* Size of segment (bytes) */
               time_t          shm_atime;   /* Last attach time */
               time_t          shm_dtime;   /* Last detach time */
               time_t          shm_ctime;   /* Last change time */
               pid_t           shm_cpid;    /* PID of creator */
               pid_t           shm_lpid;    /* PID of last shmat(2)/shmdt(2) */
               shmatt_t        shm_nattch;  /* current #attached */
               shmat_t         shm_cnattch; /* in-core #attached */
           };

下面是ipc_per 结构，它含有本共享内存区的访问权限。

struct ipc_perm {
    key_t          __key;    /* Key supplied to shmget(2) */
    uid_t          uid;      /* Effective UID of owner */
    gid_t          gid;      /* Effective GID of owner */
    uid_t          cuid;     /* Effective UID of creator */
    gid_t          cgid;     /* Effective GID of creator */
    unsigned short mode;     /* Permissions + SHM_DEST and SHM_LOCKED flags */
    unsigned short __seq;    /* Sequence number */
};

1.shmget函数（创建共享内存）

shmget函数创建一个新的共享内存区，或者访问一个已存在的共享内存区。

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

返回值是一个称为共享内存区标识符的整数，其他三个shmXXX函数就用它来指代这个内存区。

key即可以是ftok的返回值，也可以是IPC_PRIVATE。

size以字节为单位指定内存区的大小。当时机操作为创建一个新的共享内存区时，必须指定一个不为0的size值。如果实际操作为访问一个已存在的共享内存区，那么size应为0.

oflag是读写权限的组合。它还可以与IPC_CREAT或IPC_CREAT | IPC_EXCL按位或。

当实际操作为创建一个新的共享内存区时，该内存区被初始化为size字节的0.

注意，shmget创建或打开一个共享内存区，但并没有给调用进程提供访问该内存区的手段。这是shmat函数的目的。

2.shmat函数（共享内存映射）

由shmget创建或打开一个共享内存区后，通过调用shmat把它附接到调用进程的地址空间。

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

其中shmid是由shmget返回的标识符。shmat的返回值是所指定的共享内存区在调用进程内的起始地址。确定这个地址的规则如下：

（1）如果shmaddr是一个空指针，那么系统替调用者选择地址。这是推荐的方法。

（2）如果shmaddr是一个非空指针，那么返回地址取决于调用者是否给flag参数指定了SHM_RND值：

a.如果没有指定SHM_RND，那么相应的共享内存区附接到由shmaddr参数指定的地址；

b.如果指定了SHM_RND，那么相应的共享内存附接到由shmaddr参数指定的地址向下舍入一个SHMLBA常值。LBA代表“低端边界地址”。
   默认情况下，只要调用进程具有某个共享内存区得读写权限，它附接该内存区后就能够同时读写该内存区。flag参数中也可以指定SHM_RDONLY值，它限定只读访问。flag参数默认是0，表示共享内存可读写。

3.shmdt函数（共享内存解除映射）

当一个进程完成某个共享内存区的使用时，它可以调用shmdt断接这个内存区。

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

当一个进程终止时，它当前附接着的所有共享内存区都自动断接掉。

注意本函数调用并不删除所指定的共享内存区。这个删除工作通过以IPC_RMID命令调用shmctl完成。

4.shmctl函数

shmctl提供了对一个共享内存区的多种操作。

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

该函数提供了三个命令：

IPC_RMID   从系统中删除由shmid标识的共享内存区并拆除它。

IPC_SET     给所指定的共享内存区设置其shmid_ds结构的以下三个成员：shm_perm.uid,shm_perm.gid和shm_perm.mode，他们的值来自buff参数指向的结构中的相应成员。shm_ctime的值也用当前时间替换。

IPC_STAT    （通过buff参数）向调用者返回所指定共享内存区当前的shmid_ds结构。

5.shmget程序(shmget.c)
  下面是给出的shmget程序使用指定的路径名和长度创建一个共享内存区。

#include "unpipc.h"
int main(int argc,char ** argv)
{
  int c,id,oflag;
  char *ptr;
  size_t length;
  oflag = SVSHM_MODE | IPC_CREAT;
  while( ( c= getopt(argc,argv,"e") ) != -1 )
   {
     switch(c){
     case 'e':
         oflag |= IPC_EXCL;
         break;
      }
    }
   if(optind != argc -2)
     err_quit("usage: shmget [-e] <pathname> <length>");

   length = atoi(argv[optind + 1]);
   id = shmget(ftok(argv[optind],0),length,oflag);
   ptr = shmat(id,NULL,0);
   exit(0);
}

20    shmget创建由用户指定其名字和大小的共享内存区。作为命令行参数传递进来的路径名由ftok映射成一个system V IPC键。如果指定了- e选项，那么一旦该内存已存在就会出错。如果我们知道该内存区已存在，那么在命令行上的长度参数必须指定为0.

21    shmat把该内存区附接到当前进程的地址空间。本程序然后终止，不过既然system V共享内存区至少具有随内核的持续性，那么这不会删除该共享内存区。

6.shmrnid程序(shmrmid.c)
  如下给出的只是以一个IPC_RMID命令调用shmctl，以便从系统中删除一个共享内存区。

#include "unpipc.h"
int main(int argc,char ** argv)
{
  int id;
  if(argc != 2)
   err_quit("usage: shmrmid<pathname>");

  id = shmget(ftok(argv[1],0),0,SVSHM_MODE);
  shmctl(id,IPC_RMID,NULL);
  exit(0);
}

7.shmwrite程序(shmwrite.c)

下面给出了shmwrite.c程序，它往一个共享内存区中写入一个模式：0.1.2........254.255.0.1等等。

#include "unpipc.h"
int main(int argc,char **argv)
{
  int i,id;
  struct shmid_ds buff;
  unsigned char *ptr;

  if(argc != 2)
    err_quit("usage: shmwrite <pathname>");

  id = shmget(ftok(argv[1],0),0,SVSHM_MODE);
  ptr = shmat(id,NULL,0);
  shmctl(id,IPC_STAT,&buff);

  /*set: ptr[0] = 0,ptr[1] = 1,etc.*/
  for(i = 0;i < buff.shm_segsz;i++)
      *ptr++ = i%256;
  exit(0);
}

11-13   使用shmget打开所指定的共享内存区后由shmat把它附接到当前进程的地址空间。其大小通过以一个IPC_STAT命令调用shmctl取得。
16-17   往该共享内存区中写入给定的模式。

8.shmread程序（shmread.c）

下面给出的代码验证shmwrite写入的模式。

#include "unpipc.h"
int main(int argc,char** argv)
{
  int i,id;
  struct shmid_ds buff;
  unsigned char c,*ptr;

  if(argc != 2)
    err_quit("usage: shmread <pathname>");

  id = shmget(ftok(argv[1],0),0,SVSHM_MODE);
  ptr = shmat(id,NULL,0);
  shmctl(id,IPC_STAT,&buff);

  /*check that ptr[0] = 0,ptr[1] = 1,etc.*/
  for(i = 0;i < buff.shm_segsz;i++)
    if((c = *ptr++) != (i%256))
       err_ret("ptr[%d] = %d",i,c);
  exit(0);
}

11-13   打开并附接所指定的共享内存区。其大小通过以一个IPC_STAT命令调用shmctl获取。
16-18   验证由shmwrite写入的模式。

示例代码：

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

#define PERM S_IRUSR | S_IWUSR  

int main(int argc, char **argv)
{
         int shmid;
         char *p_addr, *c_addr;  

         if(argc != 2){
                 fprintf(stderr,"Usage: %s\n", argv[0]);
                 exit(0);
         }  

         //创建1k的共享内存，可读可写
         if((shmid = shmget(IPC_PRIVATE, 1024, PERM)) == -1){
                 fprintf(stderr, "Create share memory error: %s\n",strerror(errno));
         }  

         //创建子进程
         if(fork()){ //父进程，写操作
                 p_addr = shmat(shmid, NULL , 0); //映射到父进程中
                                              //地址为NULL，说明让系统自动指定地址。
                 memset(p_addr, '\0', 1024);
                 strncpy(p_addr, argv[1], 1024);  //拷贝命令行输入字符到共享内存
                 wait(NULL);
				 shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);
                 exit(0);
         } else{
                 sleep(1);  //子进程，读操作
                 c_addr = shmat(shmid, 0 ,0); //共享内存映射到子进程
                 printf("Client get %s\n", c_addr);
                 exit(0);
         }
}  

运行结果：

huangcheng@ubuntu:~$ ./a.out huangcheng
Client get huangcheng