共享內存

下面實例演示了使用shmget函數創建一塊共享內存。程序中在調用shmget函數時指定key參數值為IPC_PRIVATE，這個參數的意義是創建一個新的共享內存區，創建成功后使用shell命令ipcs來顯示系統下共享內存的狀態。命令參數-m為只顯示共享內存的狀態。

（1）在vi編輯器中編輯該程序如下：

程序清單14-8 create_shm.c 使用shmget函數創建共享內存

（2）在shell中編譯該程序如下：

$gcc create_shm.c -o create_shm

（3）在shell中運行該程序如下：

$./ create_shm

successfully created segment : 2752516

------ Shared Memory Segments --------

key shmid owner perms bytes nattch status

0x0000000 66root 600 393216 2 dest

0x00000 5209root 666 4096 0

0x0056a4d5 2686978 root 600 488 1

0x0056a4d6 2719747 root 600 131072 1

root 666 4096 0

上述程序中使用shmget函數來創建一段共享內存，並在結束前調用了系統shell命令ipcs –m來查看當前系統IPC狀態。

所謂共享內存就是使得多個進程可以訪問同一塊內存空間，是最快的可用IPC形式。是針對其他通信機制運行效率較低而設計的。往往與其它通信機制，如信號量結合使用，來達到進程間的同步及互斥。其他進程能把同一段共享內存段“連接到”他們自己的地址空間里去。所有進程都能訪問共享內存中的地址。如果一個進程向這段共享內存寫了數據，所做的改動會即時被有訪問同一段共享內存的其他進程看到。共享內存的使用大大降低了在大規模數據處理過程中內存的消耗，但是共享內存的使用中有很多的陷阱，一不注意就很容易導致程序崩潰。

共享內存相比其他幾種方式有著更方便的數據控制能力，數據在讀寫過程中會更透明。當成功導入一塊共享內存后，它只是相當於一個字元串指針來指向一塊內存，在當前進程下用戶可以隨意的訪問。缺點是，數據寫入進程或數據讀出進程中，需要附加的數據結構控制。

共享內存是存在於內核級別的一種資源，在shell中可以使用ipcs命令來查看當前系統IPC中的狀態，在文件系統/proc目錄下有對其描述的相應文件。函數shmget可以創建或打開一塊共享內存區。函數原型如下：

#include

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

函數中參數key用來變換成一個標識符，而且每一個IPC對象與一個key相對應。當新建一個共享內存段時，size參數為要請求的內存長度（以位元組為單位）。

注意：內核是以頁為單位分配內存，當size參數的值不是系統內存頁長的整數倍時，系統會分配給進程最小的可以滿足size長的頁數，但是最後一頁的剩餘部分內存是不可用的。

當打開一個內存段時，參數size的值為0。參數flag中的相應許可權位初始化ipc_perm結構體中的mode域。同時參數flag是函數行為參數，它指定一些當函數遇到阻塞或其他情況時應做出的反應。shmid_ds結構初始化如表14-4所示。

cmd的值意 義

IPC_STAT：取shm_id所指向內存共享段的shmid_ds結構，對參數buf指向的結構賦值

IPC_SET：使用buf指向的結構對sh_mid段的相關結構賦值，只對以下幾個域有作用，shm_perm.

uid shm_perm.gid以及shm_perm.mode，注意此命令只有具備以下條件的進程才可以請求：

1．進程的用戶ID等於shm_perm.cuid或者等於shm_perm.uid

2．超級用戶特權進程

IPC_RMID：刪除shm_id所指向的共享內存段，只有當shmid_ds結構的shm_nattch域為零時，才會真正執行刪除命令，否則不會刪除該段，注意此命令的請求規則與IPC_SET命令相同

SHM_LOCK：鎖定共享內存段在內存，此命令只能由超級用戶請求

SHM_UNLOCK：對共享內存段解鎖，此命令只能由超級用戶請求

使用函數shmat將一個存在的共享內存段連接到本進程空間，其函數原型如下：

#include

void *shmat( int shm_id, const void *addr, int flag );

函數中參數shm_id指定要引入的共享內存，參數addr與flag組合說明要引入的地址值，通常只有2種用法，addr為0，表明讓內核來決定第1個可以引入的位置。addr非零，並且flag中指定SHM_RND，則此段引入到addr所指向的位置（此操作不推薦使用，因為不會只對一種硬體上運行應用程序，為了程序的通用性推薦使用第1種方法），在flag參數中可以指定要引入的方式（讀寫方式指定）。

%說明：函數成功執行返回值為實際引入的地址，失敗返回–1。shmat函數成功執行會將shm_id段的shmid_ds結構的shm_nattch計數器的值加1。

當對共享內存段操作結束時，應調用shmdt函數，作用是將指定的共享內存段從當前進程空間中脫離出去。函數原型如下：

#include

int shmdt( void *addr);

參數addr是調用shmat函數的返回值，函數執行成功返回0，並將該共享內存的shmid_ds結構的shm_nattch計數器減1，失敗返回–1。

下面實例演示了操作共享內存段的流程。程序的開始部分先檢測用戶是否有輸入，如出錯則列印該命令的使用幫助。接下來從命令行讀取將要引入的共享內存ID，使用shmat函數引入該共享內存，並在分離該內存之前睡眠3秒以方便查看系統IPC狀態。

（1）在vi編輯器中編輯該程序如下：

程序清單14-9 opr_shm.c 操作共享內存段

#include

#include

#include

#include

#include

int main ( int argc, char *argv[] )

{

int shm_id ;

char * shm_buf;

if ( argc != 2 ){

printf ( "USAGE: atshm " );

exit (1 );

}

shm_id = atoi(argv);

if ( (shm_buf = shmat( shm_id, 0, 0)) < (char *) 0 ){

perror ( "shmat" );

exit (1);

}

printf ( " segment attached at %p\n", shm_buf );

system("ipcs -m");

sleep(3);

if ( (shmdt(shm_buf)) < 0 ) {

perror ( "shmdt");

exit(1);

}

printf ( "segment detached \n" );

system ( "ipcs -m " );

exit ( 0 );

}

（2）在shell中編譯該程序如下：

$gcc opr_shm.c -o opr_shm

（3）在shell中運行該程序如下：

$./ opr_shm 2752516

segment attached at 0xb7f29000

------ Shared Memory Segments --------

key shmid owner perms bytes nattch status

0x00 0root 600 393216 2 dest

0x00000root 666 4096 0

0x0056a4d5 2686978 root 600 488 1

0x0056a4d6 2719747 root 600 131072 1

0x00000root 666 4096 1

segment detached

------ Shared Memory Segments --------

key shmid owner perms bytes nattch status

0x000 00 65root 600 393216 2 dest

0x000209 root 666 4096 0

0x0056a4d5 2 686978 root 600 488 1

0x0056a4d6 27 19747 root 600 131072 1

0x000002516 root 666 4096 0

上述程序中從命令行中讀取所要引入的共享內存ID，並使用shmat函數引入該內存到當前的進程空間中。注意在使用shmat函數時，將參數addr的值設為0，所表達的意義是由內核來決定該共享內存在當前進程中的位置。由於在編程的過程中，很少會針對某一個特定的硬體或系統編程，所以由內核決定引入位置也就是shmat推薦的使用方式。在導入后使用shell命令ipcs –m來顯示當前的系統IPC的狀態，可以看出輸出信息中nattch欄位為該共享內存時的引用值，最後使用shmdt函數分離該共享內存並列印系統IPC的狀態。

%說明：圖中兩個進程同時遵循一定的規則來讀寫該內存。同時，在多進程同步或互斥上也需要附加的代碼來輔助共享內存機制。

在共享內存段中都是以字元串的默認結束符為一條信息的結尾。每個進程在讀寫時都遵守這個規則，就不會破壞數據的完整性。

由於共享內存這一特殊的資源類型，使它不同於普通的文件，因此，系統需要為其提供專有的操作函數，而這無疑增加了程序員開發的難度（需要記憶額外的專有函數）。使用函數shmctl可以對共享內存段進行多種操作，其函數原型如下：

#include

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

函數中參數shm_id為所要操作的共享內存段的標識符，struct shmid_ds型指針參數buf的作用與參數cmd的值相關，參數cmd指明了所要進行的操作，其解釋如表14-5所示。

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