linux系统之----共享内存

1.什么是共享内存

共享内存（Shared Memory）是操作系统提供的一种 最高效 的进程间通信（IPC）机制。它允许多个进程 直接访问同一块物理内存区域，无需通过内核中转数据，从而避免了数据拷贝，速度极快。

2.共享内存原理

这里结合老师的图片来理解一下，可以简单理解为操作系统开一块内存区域作为共享内存，这块内存区域可以被多个进程访问，之后两个进程（进程A和进程B）通过页表将共享内存映射到自己的虚拟地址空间。这意味着每个进程都有一个虚拟地址，指向同一块物理内存。最后当所有进程都不再需要共享内存时，操作系统会回收这块内存。

3.创建共享内存

这里我们要介绍一个函数shmget，

这里我们先解释一下shmget函数里面的三个参数

1. key：

   • 这是一个 key_t 类型的值，用于标识共享内存段。它可以是一个特定的值，也可以是 IPC_PRIVATE，后者会创建一个私有的共享内存段，不能被其他进程访问，除非它们明确知道这个段的标识符。

2. size：

   • 这是共享内存段的大小，以字节为单位。这个大小必须与系统页面大小对齐，通常是 4096 字节的倍数。

3. shmflg：

   • 这是一个权限标志，用于设置共享内存段的访问权限。它通常是一个八进制数，由 IPC_CREAT（如果不存在则创建共享内存段）、IPC_EXCL（与 IPC_CREAT 一起使用，如果共享内存段已存在则失败）和一组权限位（如 0666 或 0644）组成。

我们看一下原文：

补充说明一些内容：

（1）

IPC_CREAT单独：如果创建的共享内存不存在，创建之。如果存在，直接获取它

IPC_EXCL：不能单独使用没有意义

IPC_CREAT | IPC_EXCL：如果共享内存不存在 创建之，如果已经存在 出错返回！

如果成功，返回的就是全新的shm！

（2）

这个key值是用户自己传入的，也许有人会疑惑为什么要用户自己传入呢？原因就是要保证唯一性：即key 值用于在系统中唯一标识一个共享内存段。如果两个进程想要访问同一个共享内存段，它们需要使用相同的 key 值来引用它。手动传入 key 值可以确保进程能够找到正确的共享内存段。如果系统自动生成 key 值，可能会在不同的进程或会话中生成相同的 key 值，从而导致冲突。

那么用户是如何得到Key值的呢？这里就要引入另外一个函数ftok()

4.key值的获取

我们看一下ftok函数的细节：

那这个函数是如何保证产生的Key值是相同的呢？原因就是在一个文件下，假设我定义如下便变量：

char* pathname="/tmp";
int pro_id=0x66;

那么，既然函数传的参数都是一样的，那返回值也一定是相同的，如此，我们得到了这个相同的Key值，之后再将它传入shmget函数中！

5.映射

现在我们已经拿到共享内存了，那么下一步便是将共享内存段映射到进程的地址空间，即shmat函数（shared memory attach)

参数说明

1. shmid：

   • 这是共享内存段的标识符，由 shmget 函数返回。它是一个非负整数，用于唯一标识一个共享内存段。

2. shmaddr：

   • 这是一个指针，指定共享内存段在进程地址空间中的首选映射地址。通常设置为 NULL，表示让系统选择一个合适的地址。

3. shmflg：

   • 这是一个标志，用于控制共享内存的映射属性。它可以是以下值的组合：

     • SHM_RDONLY：将共享内存段映射为只读。

     • SHM_RND：将共享内存段映射到一个由 shmaddr 参数指定的地址的某个倍数。

     • IPC_CREAT：如果共享内存段不存在，则创建它（通常与 shmget 函数一起使用）。

6.脱离

如果我们想解除（或分离）共享内存段与进程地址空间之间映射关系，那么我们可以用shmdt函数

1. shmaddr：

   • 这是一个指针，指向之前通过 shmat 函数映射到进程地址空间的共享内存段的起始地址。

注意事项

1）解除映射后，进程将不再能通过原来的地址访问共享内存。如果需要再次访问，必须重新映射。

2）shmdt 函数不会删除共享内存段。共享内存段仍然存在于系统中，直到所有映射它的进程都解除映射，并且通过 shmctl 函数显式删除。

3）在多线程环境中，如果多个线程访问同一个共享内存段，每个线程都需要调用 shmdt 来解除映射。

7.控制

如果我们想控制共享内存段的 System V IPC（进程间通信），可以用shmctl函数，它提供了多种操作，包括获取共享内存段的信息、删除共享内存段等。

1. shmid：

   • 这是共享内存段的标识符，由 shmget 函数返回。它是一个非负整数，用于唯一标识一个共享内存段。

2. cmd：

   • 这是一个命令，指定对共享内存段执行的操作。常见的命令包括：

     • IPC_STAT：获取共享内存段的状态信息，并将结果存储在 buf 参数指向的结构中。

     • IPC_SET：设置共享内存段的权限和所有者信息，使用 buf 参数指向的结构提供新值。

     • IPC_RMID：删除共享内存段，释放所有相关资源。

3. buf：

   • 这是一个指向 shmid_ds 结构的指针，用于存储或设置共享内存段的状态信息。具体使用取决于 cmd 参数的值。

注意事项

使用 IPC_RMID 删除共享内存段时，需要确保所有进程都已解除映射（通过 shmdt 函数）。

8.比较key和shmid

key vs shmid

key：只有内核使用，用来标识shm的唯一性，是用于查找或创建 IPC 资源的关键字，它是一个抽象的概念，用于标识资源

shmid：给用户使用，用来进行访问shm，shmid 是由操作系统分配的，用于唯一标识一个共享内存段的整数。它是具体的，用于操作系统内部管理和操作共享内存段。

接下来我们再用共享内存的知识写一下客户端和服务器那个小项目~