Linux下进程间的通信--共享内存

共享内存概述：

共享内存是进程间通信的一种方式，它允许两个或多个进程共享一个给定的存储区。共享内存是最快的一种IPC形式，因为它允许进程直接对内存进行读写操作，而不需要数据在进程之间复制。

共享内存是进程间通信（IPC）中效率非常高的一种方式，因为它允许多个进程直接访问同一块内存区域，从而避免了数据在进程间复制的开销。这种直接访问内存的方式减少了数据传输的时间，提高了通信效率。

在 Linux 系统中通过 ipcs -m 查看所有的共享内存

1.创建共享内存：

shmget() 是一个在 Linux 系统上用于创建或获取共享内存段的系统调用

shmget()函数描述：

函数头文件：
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

函数原型：
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

函数参数：
key_t key: 这是一个键值，用于标识共享内存段。如果key是IPC_PRIVATE，则创建一个新的共享内存段，并且不与其他任何共享内存段关联。
size_t size: 这是共享内存段的大小，以字节为单位。这个大小必须是一个系统页的整数倍。
int shmflg: 这是一组标志位，用于控制共享内存段的权限和控制选项。
常见的标志位包括：
IPC_CREAT: 如果指定了这个标志，并且key指定的共享内存段不存在，则创建一个新的共享内存段。
IPC_EXCL: 与IPC_CREAT一起使用，如果共享内存段已经存在，则shmget()调用失败。
0666 (八进制): 这是权限掩码，用于设置共享内存段的权限。默认情况下，所有用户都可以读写共享内存段。

函数返回值：
成功：返回一个有效的共享内存标识符
失败：返回-1，并设置errno来指示错误
错误原因:
EACCES: 没有权限访问共享内存段。
EEXIST: IPC_CREAT | IPC_EXCL 被设置，但共享内存段已经存在。
EINVAL: size不是系统页大小的整数倍，或者key是无效的。
ENOMEM: 系统内存不足，无法创建新的共享内存段

扩充知识--系统页大小：

在Linux系统中，"系统页面大小"（也称为"页大小"或"分页大小"）是指操作系统用于管理内存的分配单元的大小。这个大小是虚拟内存系统中页表条目的大小，也是内存管理单元（MMU）分页机制的基础。

系统页面大小通常是4KB（即4096字节），但这个值可能会根据不同的体系结构和操作系统的实现而有所不同。例如，在某些64位体系结构上，页面大小可能是8KB或更大。这个大小对于性能优化很重要，因为它决定了内存映射和页表条目的效率。

示例代码：

#include <stdio.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

int main() {
    size_t size = 1024; // 分配1024字节
    int shmflg = 0666 | IPC_CREAT; // 设置权限并创建共享内存

    int shmid = shmget(IPC_PRIVATE, size, shmflg);
    if (shmid == -1) {
        fprintf(stderr, "shmget failed: %s\n", strerror(errno));
        return 1;
    }

    printf("Shared memory ID: %d\n", shmid);
    return 0;
}

2.附加共享内存：

shmat() 是一个在 Linux 系统中用于将共享内存段附加到调用进程的地址空间的系统调用。这个函数是共享内存 IPC 机制的一部分，它允许进程访问由 shmget() 创建的共享内存段

shmat()函数描述：

函数头文件：
#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>

函数原型：
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

函数参数：
int shmid: 这是由shmget()函数返回的共享内存段的标识符。
const void *shmaddr: 这是一个可选的指针，指定共享内存段应该被附加到进程地址空间的哪个位置。
如果设置为NULL，系统会自动选择一个合适的地址。

int shmflg: 这是一个标志位，用于控制共享内存的附加行为。
可能的标志包括：
SHM_RDONLY: 将共享内存附加为只读。
SHM_RND: 将共享内存附加到一个页面边界地址，这可以提高内存访问的效率。

函数返回值：
成功：返回附加的共享内存段的地址
失败：返回(void *) -1，并设置errno以指示错误的原因。
错误原因
EACCES  调用进程没有请求的附加类型所需的权限，
并且在管理IPC命名空间的用户命名空间中没有CAP_IPC_OWNER功能。

EIDRM   shmid指向一个已删除的标识符。

EINVAL  无效的shmid值，未对齐(即未对齐页面且未指定SHM_RND)或无效的shmaddr值，
或者不能在shmaddr上附加段，或者指定了SHM_REMAP而shmaddr被指定NULL。

ENOMEM   无法为描述符或页表分配内存。

示例代码：

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

int main() {
    int shmid;             // 共享内存标识符
    char *shared_memory;   // 共享内存的指针

    // 创建一个共享内存段
    shmid = shmget(IPC_PRIVATE, 1024, 0666 | IPC_CREAT);
    if (shmid == -1) {
        perror("shmget");
        exit(1);
    }

    将共享内存附加到其地址空间
    shared_memory = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);
    if (shared_memory == (char *)(-1)) {
        perror("shmat");
        exit(1);
    }

    // 写入一些数据到共享内存
    strcpy(shared_memory, "Hello, World!");
   
    return 0；
}

3.分离共享内存：

当进程不再需要访问共享内存时，可以使用 shmdt 系统调用将其从进程的地址空间中分离。

shmdt()函数描述:

函数头文件：
#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>

函数原型：
int shmdt(const void *shmaddr);

函数参数：
shmaddr: 这是之前通过shmat()函数附加的共享内存段的地址。

函数返回值
成功：返回0。
失败：返回-1，并设置errno以指示错误。
错误原因：
EINVAL: 在shmaddr上没有附加共享内存段;或者shmaddr没有在页边界上对齐

4.读写共享内存：

一旦共享内存段被附加到进程的地址空间，进程就可以通过指针直接访问和操作共享内存中的数据。这使得共享内存成为进程间通信（IPC）中非常快速和高效的一种方式。

一旦共享内存段被附加，进程就可以通过指针 shmaddr 读写共享内存。这部分内存就像普通的内存一样使用

示例代码：

void* addr = shmat(shmid,NULL,0);
if(addr == (void*)-1)
{
    perror("shmat");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
char buf[1024]={0};
memcpy(buf,addr,10);
printf("share memory content:%s\n",buf);
shmdt(addr); //分离共享内存

5.控制共享内存：

在Linux中，共享内存的控制通常通过 shmctl 系统调用来实现。shmctl 函数可以对共享内存段进行多种操作，包括获取共享内存的状态、设置共享内存的状态以及删除共享内存段。

shmctl()函数描述：

函数头文件：
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

函数原型：
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);：

函数参数：
shmid：共享内存段的标识符，这个标识符是通过shmget()函数创建共享内存段时返回的。
cmd：指定要执行的控制操作。
它可以是以下命令之一：
IPC_STAT：获取共享内存段的状态信息，buf指向的结构会被填充。
IPC_SET：设置共享内存段的属性，buf指向的结构包含了要设置的值。
IPC_RMID：删除共享内存段，只有拥有适当权限的用户（通常是创建者或超级用户）可以执行此操作。
SHM_LOCK：锁定共享内存段，防止其被交换出物理内存。
SHM_UNLOCK：解锁共享内存段，允许其被交换。
IPC_INFO：获取系统范围内共享内存的信息（Linux 特定）。
SHM_INFO：获取系统范围内共享内存的详细信息（Linux 特定）。
SHM_STAT_ANY：获取任何用户的共享内存段的状态信息（Linux 特定，自 Linux 4.17 起支持）。

buf：指向shmid_ds结构的指针，该结构用于存储共享内存段的信息或新属性
函数返回值：
成功：0
失败：-1，并设置errno以指示错误原因

shmid_ds结构体：

示例代码：

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

int main() {
    int shmid;
    struct shmid_ds shminfo;

    shmid = shmget(IPC_PRIVATE, 1024, IPC_CREAT | 0666);

    // 获取共享内存段的信息
    if (shmctl(shmid, IPC_STAT, &shminfo) == -1) {
        perror("shmctl IPC_STAT");
        return 1;
    }

    printf("Size: %ld\n", (long)shminfo.shm_segsz);
    printf("Last attached: %ld\n", (long)shminfo.shm_nattch);

    // 删除共享内存段
    if (shmctl(shmid, IPC_RMID, &shminfo) == -1) {
        perror("shmctl IPC_RMID");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    return 0;
}