【Linux手册】共享内存：零拷贝实现共享的优势与实操指南

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前言

在上一篇关于进程间通信的文章中，我们谈到了可以使用一个文件来让两个进程进行交互，但是直接使用外设上的文件进行IO的时候效率太低，而且进程间通信的目的就不是将信息存储到外设上，因此我们引入了一个内存级文件：管道文件；其中管道分为匿名管道和有名管道，分别来让有血缘关系的进程通信以及毫不相干的进程进行通信。

此篇将会讲解另一种通信的方式——共享内存，不需要依赖文件就可以实现通信。

本文将分为5个板块：

1. 共享内存是什么；
2. 共享内存的原理；
3. 共享内存的使用方法；
4. 共享内存demo代码；
5. 共享内存与管道对比。

一. 什么是共享内存

进程间通信的主要目的就是让解决进程间独立的阻碍，让两个进程能够看到并使用同一份资源，而管道文件就是一种实现方法，让两个进程看到同一份文件，通过这一个文件进行交互。

两个进程使用的都是同一个物理内存，这块物理内存不就是他们共享的资源嘛，只不过将这块物理内存进行了划分，让不同进程使用不同的物理内存互不干扰。

能否直接在内存中开辟一块区域让两个进程都能使用？？？

通过这种方式来去除文件的概念，让进程间直接使用公共的内存空间。共享内存就是来实现多个进程如何访问同一块物理内存的。

二. 共享内存的原理

下图是共享内存的原理示意图：

共享内存实际上就是在物理内存中开辟一段公共空间，将该公共空间与两个要进行交互得进程建立联系，这样就可以实现让两个独立得进程看到同一份资源。

具体操作如下：

1. 在物理内存中开辟一块空间；
2. 让该公共内存分别映射到两个进程到两个进程得共享区；
3. 让两个进程能获取到公共内存的起始地址。

以上就是共享内存的原理和具体需要实现的操作，通过以上操作后，两个进程分别得到一个指针，而该指针指向物理内存中的同一块区域，当一个进程对该区域进行操作时，另一个进程也能看到。

以上就是共享内存的原理，下面看一下操作系统提供了那些接口帮助我们实现：

三. 共享内存的使用方法

3.1 创建共享内存

首先要解决的是：如何在内存开辟一块空间供进程使用。

操作系统中提供了int shmget(int key , size_t size , int shmflg)：

• 创建失败返回-1，创建成功返回共享内存标识符，就是共享内存ID；
• 第二个参数size，共享内存的大小，单位是字节；
• 第三个参数shmflg，选项与open的选项类似，其中常用的有IPC_CREAT如果共享内存不存在就创建，如果已经存在就不再创建；IPC_CRAET|IPC_EXIT也是创建共享内存只不过如果共享内存已经存在就直接报错，保证返回的共享内存是最新创建的。

通信双方都需要调用shmget来获取共享内存的ID，但是只需要创建一次共享内存就可以了。

调用shmget时，如何分辨两个进程是否请求的是同一块物理内存，即如何保证两者能拿到同一块物理内存？？？

• shmget第一个参数key来保证两个进程请求的是同一块资源；
• key是数字，该数字在操作系统内核中是唯一的，用key来区分内核中不同的的共享内存。
• 两个进程如果key值是相同的就说明要访问同一块物理内存。

key值在操作系统内是唯一的，那我在传参的时候如何传，我怎么知道自己的key有没有被使用？？？

在操作系统中该key值不需要用户来做，操作系统也提供了接口来让我们设置key值：

key_t ftok(const char* pathname , int proj_id)：

• 返回值，返回key值，失败返回-1；
• 第一个参数：一个字符串是表示一个有效路径，第二个参数一个数字。

ftok()是一个算法，通过一个有效路径字符串和一个数字来获得一个冲突最小的key值。
只能说冲突最小，也有可能出现冲突，也就是说ftok()产生的key可能是已经存在的了，此时就会返回-1，通过调整路径或后面的数字重新尝试。

3.2 挂接共享内存

共享内存已经在物理内存中开辟出来了，但是要先对内存进行操作，还需要将物理内存与共享区建立映射关系，操作系统中通过：void* shmat(int shmid , const void* shmaddr , int shmflag)：

1. 第一个参数shmid决定挂接哪一个物理内存；
2. 第二个参数shmaddr挂接的位置，可以直接填NULL，让操作系统自己分配到共享区上；
3. 第三个参数shmflag表示以什么方式进行挂接：读还是写，一般使用0表示以读和写的方式挂接。
4. 返回值，一个指针指向挂接后的虚拟地址。

操作系统也运行进程与共享内存接关联：int shmdt(const void* shmaddr)，参数是共享内存的起始地址。

3.3 共享内存的释放

共享内存的生命周期并不是随进程，而是随内核，也就是说当进程退出后，共享内存也不会自动释放，不主动关闭就不会释放，除非操作系统关闭了。

int shmctl(int shmid , int cmd , struct shmid_ds *buf)：

• 该函数使用来控制共享内存的，使用shmctrl(shmid , IPC_RMID ,nulltr)实现对共享内存的释放。

四. 共享内存demo代码

下面简单实现两个程序，让他们能够进行交互，一个进程向另一个进程发送消息，接收方将信息打印出来即可：

先对各种接口进行封装，对获取shmid接口进行封装：封装获取key的接口以及换取ID的接口，其中创建一方要进行创建，而另一方直接打开，所以shmget()的选项是不一样的。

const string path_name_ = "/usr/bin";
const int pj_id_ = 100;
const int sz_ = 1024;// 获取key值
key_t Get_Key()
{key_t k = ftok(path_name_.c_str(), pj_id_);if (k < 0){cout << " ftok errro int " << __FILE__ << " at line :" << __LINE__ << endl;exit(1);}return k;
}// 创建共享内存
int _Base_shmid(int flag , int sz)
{int k = Get_Key();int id = shmget(k, sz, flag);if (id < 0){cout << " shmget errro int " << __FILE__ << " at line :" << __LINE__ << endl;exit(2);}return id;
}int Creat_shm(int sz = sz_)
{return _Base_shmid(IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666 , sz);
}int Get_shm(int sz = sz_)
{return _Base_shmid(IPC_CREAT , sz);
}

封装进行挂接，取消挂接以及释放共享内存的接口：

void* To_attach(int id)
{// 进行挂接void* pshm = shmat(id , nullptr , 0);return pshm;
}void To_Detach(const void* pshm)
{shmdt(pshm);
}void Del_shm(int id)
{if(shmctl(id , IPC_RMID , nullptr) < 0 ){perror("shmctl failed");exit(1);}
}

编写发送消息的一方，发送字符从A到Z：

int main()
{int id = Get_shm();void* pshm = To_attach(id);char* p = static_cast<char*>(pshm);for(int i = 0 ; i < 26 ; i++){p[i] = 'A' + i;p[i + 1] = 0;usleep(500000);}
}

接收方打印出接受到的信息：

int main()
{int id = Creat_shm();void* pshm = To_attach(id);char* p = static_cast<char*>(pshm);sleep(1);for(int i = 0 ; i < 26; i++){cout << " client send message :" << p << endl;usleep(500000);}To_Detach(pshm);Del_shm(id);return 0;}

以下是代码效果展示：

五. 共享内存与管道对比

1. 共享内存没有同步互斥机制，可能出现两个进程同时访问共享资源，即同时进行写入和读取；
2. 共享内存是所有进程间通信中最快的，因为其不需要进行多余的拷贝：管道通信要先将数据拷贝到管道文件中，读取时又要间信息从从管道从读出来，而共享内存，只要有一方写入另一方就可以进行读取；
3. 共享内存内部的书记由用户自己维护，需要用户手动释放资源。

操作系统也要对共享内存进行管理，在内核中由一个结构体struct shmid_ds专门用来描述共享内存：

/* Obsolete, used only for backwards compatibility and libc5 compiles */
struct shmid_ds {struct ipc_perm		shm_perm;	/* operation perms */int			shm_segsz;	/* size of segment (bytes) */__kernel_time_t		shm_atime;	/* last attach time */__kernel_time_t		shm_dtime;	/* last detach time */__kernel_time_t		shm_ctime;	/* last change time */__kernel_ipc_pid_t	shm_cpid;	/* pid of creator */__kernel_ipc_pid_t	shm_lpid;	/* pid of last operator */unsigned short		shm_nattch;	/* no. of current attaches */unsigned short 		shm_unused;	/* compatibility */void 			*shm_unused2;	/* ditto - used by DIPC */void			*shm_unused3;	/* unused */
};

如果在程序中想要获取一个共享内存的属性，也可以使用之前说的shmctl()来获取：

shmctl(id , IPC_STAT , &shmds)其中选项使用IPC_STAT，第三个参数是输出型参数，调用之后内部就保存共享内存的各种属性。