Linux共享内存实现机制的详解

什么是共享内存

在传统进程间通信（IPC）的方式中，需要使用消息队列、管道、信号等方式进行进程间 communication（通信）。在这些方式中，数据的传递往往是通过将数据从一个进程拷贝到另一个进程的内存空间实现的。但是，在有些情况下，进程之间需要共享数据或者其他一些资源。这时，我们就可以使用共享内存来实现它。

共享内存是一种进程间通信机制，它可以让多个进程共享同一块内存区域，从而实现相互间的数据通信。共享内存是一段被内核映射到进程地址空间中的内存区域，因此很多进程可以共享同一块物理内存。

Linux共享内存实现机制

Linux的共享内存使用共享存储区实现。共享存储区是一种特殊的映射线性地址空间（mmap）类型，它允许不同进程映射同一块物理内存。当进程访问这个映射到共享存储区的虚拟内存区域时，实际访问的是同一块物理内存。

Linux共享内存的实现方式主要涉及到以下三个阶段：

1. 获取共享内存ID

首先，需要调用shmget()系统调用获取一块共享内存区域的标识符（ID）。

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

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

其中，key是唯一的标识符，用于在不同进程间共享内存，size是共享内存区域的大小，shmflg是共享内存的访问权限。如果成功调用了shmget()函数，返回值为共享内存标识符。

2. 将共享内存与当前进程附加

其次，使用shmat()系统调用将共享内存附加到当前进程中。

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>

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

其中，shmid是共享内存标识符，shmaddr是附加的地址，如果shmaddr为０则让系统自动分配一个合适的地址，shmflg常用的是SHM_RND，让系统自动找一个时间，这样可防止产生冲突并提高效率。当成功调用了shmat()函数，返回值就是共享内存区域的首地址。

3. 使用共享内存

最后，使用共享内存区域中的数据进行通信。在通信完成后，使用shmdt()系统调用将共享内存区域从当前进程中分离。

#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>

int shmdt(const void *shmaddr);

其中，shmaddr是共享内存区域的首地址。当成功调用了shmdt()函数，表示当前进程已经将共享内存区域分离后，就无法再次访问共享内存区域中的数据。

示例

示例一：

进程A创建一块共享内存，并向其中写入数据。之后，进程B附加到该共享内存区，将共享内存中的数据读取出来并输出。

/* in process A */
int main() {
    key_t key = ftok(".", 'x');    // 生成共享内存ID
    int shmid = shmget(key, 1024, IPC_CREAT|0600);    // 创建共享内存

    char *shmptr = (char*)shmat(shmid, NULL, SHM_RND); // 附加共享内存

    memset(shmptr, 'a', 1024); // 向共享内存中写入数据

    getchar();    // 停顿一下，保持共享内存不被回收

    return 0;
}

/* in process B */
int main() {
    key_t key = ftok(".", 'x');    // 获取共享内存ID
    int shmid = shmget(key, 1024, 0600);    // 获取共享内存

    char *shmptr = (char*)shmat(shmid, NULL, SHM_RND); // 附加共享内存

    for (int i=0; i<1024; i++) {
        printf("%c", *(shmptr+i));  // 读取共享内存中的数据并进行输出
    }

    shmdt(shmptr);    // 分离共享内存

    return 0;
}

示例二：

进程A创建一块共享内存，并等待进程B对共享内存中的数据进行修改。之后，进程A读取共享内存中的数据并输出。

/* in process A */
int main() {
    key_t key = ftok(".", 'y');    // 生成共享内存ID
    int shmid = shmget(key, 1024, IPC_CREAT|0600);    // 创建共享内存

    char *shmptr = (char*)shmat(shmid, NULL, SHM_RND); // 附加共享内存

    printf("Waiting for process B doing something...\n");

    while (*shmptr != '1') {    // 等待进程B对共享内存进行修改
        sleep(2);
    }

    printf("Shared memory: %s\n", shmptr);    // 读取共享内存中的数据并输出

    shmdt(shmptr);    // 分离共享内存

    shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL); // 删除共享内存

    return 0;
}

/* in process B */
int main() {
    key_t key = ftok(".", 'y');    // 获取共享内存ID
    int shmid = shmget(key, 1024, 0600);    // 获取共享内存

    char *shmptr = (char*)shmat(shmid, NULL, SHM_RND); // 附加共享内存

    *shmptr = '1';    // 修改共享内存中的数据

    shmdt(shmptr);    // 分离共享内存

    return 0;
}

以上是两个使用共享内存机制实现的简单示例。通过这些示例，我们可以更好地理解Linux共享内存的实现机制。