12.2 Linux_进程间通信_共享内存

概述

什么是共享内存：

共享内存又叫内存映射，可以通过mmap()映射普通文件。

实际上就是将磁盘中的一个文件映射到内存的一个缓冲区中去，这样进程就可以直接将这块空间当作普通内存来访问，不需要再使用I/O中的read/write去访问这个文件。

映射之后，内存中读写数据就是在文件中读写数据。

共享内存使用方法：

1、open打开一个文件

2、mmap创建共享内存映射，注意mmap权限要<=open时的权限

3、直接按照内存方式访问共享内存。

共享内存分配的原理：

内存是按页进行分配的，一页的大小为4K。假设文件大小为1K，但它实际所分配的空间是一页，即4K。但可操作的空间是1K。

当对1K的文件申请1K的共享内存时，分配的映射空间大小实际为4K，即：分配的映射空间大小为4K的整数倍。同理，申请2K的共享内存时，分配的映射空间大小也为4K；申请5K的共享内存时，分配的映射空间大小就变成了8K。

按照上述情况进行分配时，在代码中允许写入的映射区地址范围为0~4K，但是只有0~1K的空间可以对文件内容产生影响，在1K~4K空间进行写入数据不会报错，但也不会对文件产生影响，但申请5K共享内存后，访问4K~5K的空间会产生总线错误报错，因为文件空间只有0~4K。

下图是文件大小为5K，实际分配8K空间，在mmap申请5K的示意图：

相关函数

1、创建共享内存映射

mmap的参数在内核中的示意图：

mmap将指定文件(fd)的指定位置(off~off+len)的空间，映射到指定内存(add)中并返回这块内存的首地址(void*返回值)。 

函数声明如下： 

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset);

返回值：成功返回映射区的首地址，失败返回MAP_FAILED

addr：指定的内存映射地址，NULL代表自动分配

length：映射空间大小，单位字节，从offset参数开始计算。

             注意：length会自动与4K进行补齐，如：length=1K，实际分配4K

prot：共享内存的访问权限，多个权限之间可用 "按位或 |" 连接

          注意：prot权限应该 <= open时的权限

权限含义
PROT_READ可读
PROT_WRITE可写
PROT_EXEC可执行
PROT_NONE不可访问

flags：共享内存的属性，进程间通信时写入MAP_SHARED，代表映射内存允许共享。

fd：要进行映射的文件的文件描述符

offset：要进行映射的文件的偏移量，写0代表从头部开始映射。

            注意：offset值为4K的整数倍，因为内存按页进行分配，页的大小为4K

2、共享内存读写数据

//写入数据
void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);
//读取数据,读取数据就是直接访问内存
printf("%s\n",(char*)addr);

dest：内存首地址

src：写入数据首地址

n：写入数据的大小

3、释放内存映射 

int munmap(void *addr, size_t length);

返回值：成功返回0，失败返回-1

addr：mmap的返回值

length：mmap开辟的内存大小，与mmap写入相同的参数即可

实验代码

1、单工数据传输

实验现象：A进程不断的写入数据'A'，B进程每隔1s读取一下共享内存中的内容。

A.c代码如下：

#include <sys/mman.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>#define FILE_PATH "./mmap"
int main(){int fd;void* mmap_addr = NULL;int i=0;char buf[100] = {0};//打开文件if((fd=open(FILE_PATH,O_RDWR)) < 0){perror("open");return -1;}//创建共享内存映射if((mmap_addr = mmap(NULL,4*1024,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0)) == MAP_FAILED){perror("mmap");return -1;}memset(mmap_addr,0,lseek(fd,0,SEEK_END));//清空缓冲区close(fd);//创建共享内存映射后可以关闭文件描述符//进程间通信while(1){memcpy(mmap_addr+i,"A",strlen("A"));i++;sleep(1);}return 0;
}

B.c代码如下： 

#include <sys/mman.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>#define FILE_PATH "./mmap"
int main(){int fd;void* mmap_addr = NULL;int i=0;char buf[100] = {0};//打开文件if((fd=open(FILE_PATH,O_RDWR)) < 0){perror("open");return -1;}//创建共享内存映射if((mmap_addr = mmap(NULL,4*1024,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0)) == MAP_FAILED){perror("mmap");return -1;}close(fd);//创建共享内存映射后可以关闭文件描述符//进程间通信while(1){printf("read:%s\n",(char*)mmap_addr);sleep(1);}return 0;
}

代码运行结果如下：

2、AB进程互传数据

实验现象：A发送开始信号后，AB进程开始互传数据

A.c代码如下：

#include <sys/mman.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <semaphore.h>#define FILE_PATH "./mmap"
int main(){int fd;void* mmap_addr = NULL;int i=0;char buf[100] = {0};sem_t* sem_mmap;//打开文件if((fd=open(FILE_PATH,O_RDWR)) < 0){perror("open");return -1;}//创建共享内存映射if((mmap_addr = mmap(NULL,4*1024,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0)) == MAP_FAILED){perror("mmap");return -1;}memset(mmap_addr,lseek(fd,0,SEEK_END),strlen(mmap_addr));//清空缓冲区close(fd);//创建共享内存映射后可以关闭文件描述符//创建信号量if((sem_mmap = sem_open("sem_mmap",O_CREAT,0666,1)) == SEM_FAILED){perror("sem_open");return -1;}//进程间通信memcpy(mmap_addr,"A Start SIG",strlen("A Start SIG"));while(1){sem_wait(sem_mmap);if(*(char*)mmap_addr == 'B'){//读出B进程写入的内容printf("A read:%s\n",(char*)mmap_addr+strlen("B"));//读取数据，不读取数据来源标号memset(mmap_addr,0,strlen(mmap_addr));//清空缓冲区//写入新数据memcpy(mmap_addr,"A",strlen("A"));//数据来源标号sprintf(buf,"A_Data:%d",i++);     //新数据memcpy(mmap_addr+strlen("A"),buf,strlen(buf));}sem_post(sem_mmap);}return 0;
}

B.c代码如下： 

#include <sys/mman.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <semaphore.h>#define FILE_PATH "./mmap"
int main(){int fd;void* mmap_addr = NULL;int i=0;char buf[100] = {0};sem_t* sem_mmap;//打开文件if((fd=open(FILE_PATH,O_RDWR)) < 0){perror("open");return -1;}//创建共享内存映射if((mmap_addr = mmap(NULL,4*1024,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0)) == MAP_FAILED){perror("mmap");return -1;}//创建信号量if((sem_mmap = sem_open("sem_mmap",O_CREAT,0666,1)) == SEM_FAILED){perror("sem_open");return -1;}close(fd);//创建共享内存映射后可以关闭文件描述符//进程间通信while(1){sem_wait(sem_mmap);if(*(char*)mmap_addr == 'A'){//读出B进程写入的内容printf("B read:%s\n",(char*)mmap_addr+strlen("A"));memset(mmap_addr,0,strlen(mmap_addr));//清空缓冲区//写入新数据memcpy(mmap_addr,"B",strlen("B"));//数据来源标号sprintf(buf,"B get A data,B data is %d",i++);     //新数据memcpy(mmap_addr+strlen("B"),buf,strlen(buf));sleep(1);}sem_post(sem_mmap);}return 0;
}

共享内存注意事项

1、共享内存创建隐含读操作：

当mmap创建共享内存后，会自动的将要进行映射的文件的内容读取到映射区。

2、总线错误报错原因：

原因1：

当用于映射的文件大小为0，且指定非0大小的映射区时，会报错总线错误。

解决方法：将空文件中加一个空格，使得文件不是空文件即可。

原因2：

当映射的文件的大小<映射区的大小时，这时不进行报错。但如果访问空间超出了页的范围，则会报错总线错误。

3、非法参数错误报错原因：

原因1：mmap传入的length值为0

原因2：mmap传入的offset值不为4K的整数倍

4、写入字符不全原因：

用于映射的文件大小为A，指定映射区大小为B，当A<B时，只会写入A大小的数据，即：最多写入的数据大小是文件的大小。

5、映射区建立后，便可关闭文件：

在mmap之后就可用关闭进行映射的文件，这时对共享内存进行写入依旧可以修改磁盘文件的内容。

匿名映射

匿名映射不需要文件，但只能用于血缘关系进程之间的通信。

mmap的flags参数写入MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS，fd参数写入-1

#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>int main(){pid_t pid;int i=0;void* mmap_addr = NULL;//创建共享内存映射if((mmap_addr = mmap(NULL,4*1024,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS,-1,0)) == MAP_FAILED){perror("mmap");return -1;}if((pid = fork())<0){perror("fork");return -1;}else if(pid == 0){while(1){memcpy(mmap_addr+i,"A",strlen("A"));i++;sleep(1);}}else{while(1){printf("%s\n",(char*)mmap_addr);sleep(1);}}return 0;
}

systemV共享内存

使用步骤：

  • 生成key
  • 创建/打开共享内存
  • 映射共享内存
  • 读写共享内存
  • 撤销共享内存
  • 删除共享内存 

共享内存相关命令：

ipcs 查看共享内存、消息队列、信号灯

ipcrm -m <shmid>：删除指定的共享内存

1、生成key

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

返回值：成功返回key，失败返回-1

pathname：文件路径

proj_id：用于生成key的数字，范围1~255

该函数可以将pathname的节点号与proj_id进行结合，生成一个整数key，能够确保key不重复。

2、创建/打开共享内存

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

返回值：成功返回共享内存的id，失败返回EOF

key：和共享内存关联的key值，由ftok生成或写入IPC_PRIVATE

size_t：共享内存大小，单位字节

shmflg：标志位，写入IPC_CREAT|0666，代表创建共享内存权限可读可写

3、映射共享内存

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

返回值：成功返回映射后的地址，失败返回(void*)-1

shmid：共享内存的id

shmaddr：映射内存空间，NULL代表由系统自动分配

shmflg：标志位，0代表可读可写，SHM_RDONLY代表只读

4、撤销共享内存

int shmdt(const void *shmaddr);

返回值：成功返回0，失败返回EOF

shmaddr：shmat返回的地址

进程结束时，会自动撤销共享内存。

注意：撤销之后只代表映射的内存空间不存在了，但共享内存还在。

5、删除共享内存

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

shmid：共享内存的id

cmd：要执行的操作，写入IPC_RMID

buf：保存或设置共享内存属性的地址，写入NULL即可

注意：共享内存在创建后，不再使用一定要删除，否则会导致内存泄漏。

示例代码 

写端代码如下：

#include <string.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>int main(){key_t key;int shmid;void* shmaddr = NULL;//1.生成keyif((key=ftok(".",1))<0){perror("ftok");return -1;}perror("ftok");printf("key = %d\n",key);//2.创建/打开共享内存if((shmid=shmget(key,100,IPC_CREAT|0666))<0){perror("shmget");return -1;}printf("shmid = %d\n",shmid);//3.映射共享内存if((shmaddr=shmat(shmid,NULL,0)) == (void*)-1){perror("shmat");return -1;}	//4.读写共享内存strcpy(shmaddr,"hello");//memcpy(shmaddr,"hello",strlen("hello")); 	//5.撤销共享内存shmdt(shmaddr);	//6.删除共享内存return 0;
}

读端代码如下：

#include <string.h>
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>int main(){key_t key;int shmid;void* shmaddr = NULL;//1.生成keyif((key=ftok(".",1))<0){perror("ftok");return -1;}printf("key = %d\n",key);//2.创建/打开共享内存if((shmid=shmget(key,100,0666))<0){//以可读可写方式打开共享内存perror("shmget");return -1;}printf("shmid = %d\n",shmid);//3.映射共享内存if((shmaddr=shmat(shmid,NULL,0)) == (void*)-1){perror("shmat");return -1;}	//4.读写共享内存printf("read:%s\n",(char*)shmaddr);//5.撤销共享内存shmdt(shmaddr);	//6.删除共享内存shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);return 0;
}

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