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IPC 进程间通信方式：共享内存

原理

共享内存是最高效的进程间通信方式之一，因为它允许两个或多个进程直接访问同一块物理内存区域。这种机制避免了数据在用户空间和内核空间之间的频繁拷贝，从而显著提高了数据传输的效率。

在Linux系统中，共享内存区域由内核管理，但可以由多个进程映射到它们各自的地址空间中。这样，进程就可以像访问本地内存一样直接读写这块共享内存区域。

操作流程

1. 产生Key值：
   使用ftok函数根据给定的路径名和项目ID生成一个唯一的键值（key），这个键值将用于后续的IPC对象操作。

2. 申请共享内存：
   使用shmget函数根据键值申请一块共享内存区域。如果申请成功，该函数会返回一个共享内存标识符（shmid）。

3. 映射共享内存：
   使用shmat函数将共享内存区域映射到进程的地址空间中，以便进程可以直接访问这块内存。

4. 访问共享内存：
   进程通过映射得到的地址直接读写共享内存中的数据。

5. 解除映射：
   使用shmdt函数解除共享内存与进程地址空间的映射关系。

6. 销毁共享内存：
   当不再需要共享内存时，可以使用shmctl函数并指定IPC_RMID命令来删除这块共享内存。

1. ftok - 生成key值

#include <sys/types.h> 
#include <sys/ipc.h> key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);

• 功能：将路径名pathname和工程IDproj_id转换为唯一的key值。
• 参数：
  • pathname：一个路径名。
  • proj_id：工程ID，通常是ASCII字符。
• 返回值：成功时返回唯一的key值，失败时返回-1。

2. shmget - 申请共享内存

#include <sys/ipc.h> 
#include <sys/shm.h> int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

• 功能：使用唯一键值key向内核提出共享内存使用申请。
• 参数：
  • key：唯一键值。
  • size：要申请的共享内存大小。
  • shmflg：访问权限和创建标志（如IPC_CREAT、IPC_EXCL）。
• 返回值：成功时返回共享内存ID，失败时返回-1。

3. shmat - 映射共享内存

#include <sys/types.h> 
#include <sys/shm.h> void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

• 功能：将指定shmid对应的共享内存映射到本地内存。
• 参数：
  • shmid：共享内存ID。
  • shmaddr：本地地址，通常为NULL表示由系统自动分配。
  • shmflg：访问权限（如0表示读写，SHM_RDONLY表示只读）。
• 返回值：成功时返回映射的地址，失败时返回(void*)-1。

4. shmdt - 撤销共享内存映射

#include <sys/types.h> 
#include <sys/shm.h> int shmdt(const void *shmaddr);

• 
  功能：将本地内存与共享内存断开映射关系。
• 参数：shmaddr：要断开的映射地址。
• 返回值：成功时返回0，失败时返回-1。

5. shmctl - 控制共享内存

#include <sys/ipc.h> 
#include <sys/shm.h> int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);

• 功能：修改共享内存属性或删除共享内存对象。
• 参数：
  • shmid：共享内存ID。
  • cmd：操作命令（如IPC_RMID表示删除对象）。
  • buf：指向shmid_ds结构的指针，用于传递信息或NULL（仅删除对象时）。
• 返回值：成功时返回0，失败时返回-1。

6.示例

假设我们有两个进程a.out和b.out，它们需要通过共享内存交换一个pid_t类型的进程ID。

a.out（写进程）

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <string.h> 
#include <sys/ipc.h> 
#include <sys/shm.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <unistd.h> int main() 
{ key_t key = ftok("/tmp", 'A'); int shmid = shmget(key, sizeof(pid_t), IPC_CREAT | 0666); if (shmid == -1) { perror("shmget"); exit(EXIT_FAILURE); } void *shmaddr = shmat(shmid, NULL, 0); if (shmaddr == (void *)-1) { perror("shmat"); exit(EXIT_FAILURE); } pid_t *pid_ptr = shmaddr; *pid_ptr = getpid(); // 将当前进程的PID写入共享内存 shmdt(shmaddr); shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); return 0; 
}

b.out（读进程）

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <sys/ipc.h> 
#include <sys/shm.h> 
#include <sys/types.h> 
#include <unistd.h> int main() 
{ key_t key = ftok("/tmp", 'A'); int shmid = shmget(key, sizeof(pid_t), 0666); if (shmid == -1) { perror("shmget"); exit(EXIT_FAILURE); } void *shmaddr = shmat(shmid, NULL, 0); if (shmaddr == (void *)-1) { perror("shmat"); exit(EXIT_FAILURE); } pid_t *pid_ptr = shmaddr; printf("Received PID: %d\n", *pid_ptr); shmdt(shmaddr); return 0; 
}

7.总结

1. 共享内存数据的存储方式是拷贝还是剪切？
   答：在共享内存的情况下，数据是直接访问的，不涉及拷贝或剪切操作。进程直接通过映射的地址访问物理内存区域。

2. 共享内存的数据如果多次不同进程读写会怎么样？
   答：如果多个进程读写同一块共享内存区域，并且没有适当的同步机制（如信号量），那么可能会出现数据竞争和覆盖的情况