进程通信——共享内存

共享内存是一种机制，也是进程间进行通信的一种方式

1.基本认识

1.1 概念介绍

不同进程的资源通常是独立的，他们所占用的内存互相独立，不可互相访问。
而共享内存允许多个进程访问同一块内存区域，从而实现数据的共享和交换。是一种高效的进程通信方法。

在共享内存中，多个进程可以将同一块物理内存，映射到它们各自的虚拟地址中，使它们可以直接读写该内存的内容，而无需通过消息传递等其它通信方式，也就是“完全无需额外的拷贝”。这种直接的内存访问，使得数据交换更高效。

1.2主要原理

要理解共享内存，首先要理解“虚拟内存”这一概念。

虚拟内存是进程直接操作的地址，不同进程可以存在相同的虚拟内存地址，因为实际所代表的物理地址并不相同

每个进程内的虚拟地址是连续的，但实际映射在物理地址上，却不是连续的。

通常来说各进程之间不会共用物理内存地址，如下图所示：

进程A和进程B各自的虚拟内存，分别映射在实际物理内存的不同区域上。

那么，共享内存就是改变这种映射关系，让不同的进程“共用物理内存”。如下图所示：

这个时候，进程A的第3块虚拟内存，与进程B的第1块虚拟内存，就指向同一块物理内存了。

也就是它们共享内存了。之后其中一个改写了这块内存的内容，另一个就可以直接读到，省去了中间（系统内核）的数据拷贝。这就是所谓“共享内存效率最高”的原因。

但从中我们不难看出，共享内存也是有缺点的，那就是大家都是读写同一块内存，很容易冲突。所以共享内存通常还需要搭配其它同步机制使用。

2.使用方法

共享内存的使用并不难，就是改变内存映射，获取到同一个指向共享内存的地址，然后读写数据。

2.1创建共享内存shmget

第一步是创建一个共享内存区域，并分配一块内存来存储数据。

2.1.1 shmget

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>/***********************************
* @para key 共享内存的键值，用于标识共享内存段。通常使用 ftok 函数生成键值。
* @para size 共享内存段的大小，以字节为单位
* @para shmflg 共享内存的标志位，用于指定创建共享内存的权限和行为
* @return 成功时，返回共享内存的标识符（即共享内存的ID）
* 		  失败时，返回-1，并设置相应的错误码
* 
*********************************/
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);//example
key_t key = ftok(".", 123); //详见下一节
int shmid = shmget(key, 1024, IPC_CREAT | 0666);

2.1.2 ftok

上述出现了一个 ftok 函数，这个函数返回了一个 key_t。

这个有什么作用呢？其实，这个 key 是不同进程间使用同一片物理内存的关键。如果要进行共享，就大家都得使用同一个 key。否则，系统如何知道哪几个进程之间要共享呢。

而 ftok 则是使用一个“路径（文件或目录）”加一个“立即数”，来产生一个 key。只要大家的这两个参数相同，计算出来的 key 就是一致的。

其原型如下：

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h> 
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);参数：
pathname：一个存在的文件路径名，用于生成键值。通常选择一个已经存在的文件。
proj_id：一个整数，用于区分不同的IPC资源。通常选择一个非零的整数。返回值：
如果成功，返回一个键值（key）。
如果失败，返回-1，并设置相应的错误码。

关于ftok，还有几个要点：

• ftok 的路径可以随便设置，但必须是实际存在的
• ftok 只是想取文件 inode 这个唯一数值，和文件权限无关
• proj_id 在一些系统（如 UNIX）上，实际取值是1到255。

为什么对 ftok 说那么多，因为这个 key 对很多进程间通信都是一个关键。不只是共享内存，其它诸如消息队列、信号量之类的方法，也会用到。

2.2映射地址空间shmat

第二步就是，将创建出的共享内存空间，映射到本进程的虚拟地址空间。
映射使用的是 shmat，原型如下：

参数：
shmid：共享内存的标识符（即共享内存的ID），由shmget函数返回
shmaddr：指定共享内存段附加到当前进程地址空间的地址。通常设置为 NULL，表示由系统自动选择一个合适的地址
shmflg：共享内存的标志位，用于指定附加共享内存的权限和行为返回值：
成功时，返回指向共享内存段附加地址的指针。
失败时，返回 -1，并设置相应的错误码。例子：
#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>
char *shmaddr = shmat(shmid, NULL, 0);

2.3 访问共享内存

这一步比较简单，就是向共享内存（也可以理解为自己的地址空间）写数据和读数据。

memcpy(shmaddr, source_buff, source_length); //写 
memcpy(target_buff, shmaddr, target_length); //读

2.4 同步和互斥

之前提到过共享内存的不足。由于多个进程可以同时访问共享内存，需要使用同步和互斥机制来确保数据的一致性和正确性。常见的同步机制包括信号量、互斥锁和条件变量等。详情请看进程互斥访问-信号量。

3.接口封装

3.1 创建shm_create

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h> 
key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
#define KEY_NUM 126
#define FILE_PATH "./share.txt"int shm_create_with_key(const char *filepath, int len, int key_num)
{key_t key = ftok(filepath, key_num);if(key < 0){printf("create key error！\n");return key;}int shmid = shmget(key, len, IPC_CREATE|0666);//666代表可读可写if(shmid < 0){return shmid;printf("create share mem error!\n")}return shmid
}int shm_create(int len)
{return shm_create_with_key(FILE_PATH, len, KEY_NUM);
}

3.2 映射shm_connect

char* shm_connect(int shm_id)
{char *mem = shmat(shm_id, NULL, 0);if(mem < 0){printf("shmat error!\n");return mem;}return mem;
}

3.3 多进程共享内存

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h> 
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>#define KEY_NUM 126
#define FILE_PATH "./share.txt"//使用文件路径作为共享内存
int shm_create_with_key(const char *filepath, int len, int key_num)
{key_t key = ftok(filepath, key_num);if(key < 0){printf("create key error!\n");return key;}int shmid = shmget(key, len, IPC_CREAT|0666);//666代表可读可写if(shmid < 0){return shmid;printf("create share mem error!\n");}return shmid;
}int shm_create(int len)
{return shm_create_with_key(FILE_PATH, 100, KEY_NUM);
}char* shm_connect(int shm_id)
{char *mem = (char*)shmat(shm_id, NULL, 0);if(mem < 0){printf("shmat error!\n");return NULL;}return mem;
}int main()
{int shm_id = shm_create(10);if(shm_id < 0){printf("shm_create error!\n");return -1;}   char *mem = shm_connect(shm_id);if(!mem){printf("shm_connect error!\n");return -1;}int i = 10;while (--i){printf("%s\n", mem);sleep(1);}shmdt(mem);return 0;
}

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h> 
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include "string.h"#define KEY_NUM 126
#define FILE_PATH "./share.txt"int shm_create_with_key(const char *filepath, int len, int key_num)
{key_t key = ftok(filepath, key_num);if(key < 0){printf("create key error!\n");return key;}int shmid = shmget(key, len, IPC_CREAT|0666);//666代表可读可写if(shmid < 0){return shmid;printf("create share mem error!\n");}return shmid;
}int shm_create(int len)
{return shm_create_with_key(FILE_PATH, 100, KEY_NUM);
}char* shm_connect(int shm_id)
{char *mem = (char*)shmat(shm_id, NULL, 0);if(mem < 0){printf("shmat error!\n");return NULL;}return mem;
}int main()
{int shm_id = shm_create(10);if(shm_id < 0){printf("shm_create error!\n");return 0;}   char *mem = shm_connect(shm_id);if(!mem){printf("shm_connect error!\n");return 0;}//初始化memcpy(mem, "hello", 6);int i = 0;while (i<10){mem[0] = '1'+i;++i;sleep(1);}shmdt(mem);return 0;
}