System V IPC 之共享內存

IPC 是進程間通訊(Interprocess Communication)的縮寫，一般指容許用戶態進程執行系列操做的一組機制：

• 經過信號量與其餘進程進行同步
• 向其餘進程發送消息或者從其餘進程接收消息
• 和其餘進程共享一段內存區

System V IPC 最初是在一個名爲 "Columbus Unix" 的開發版 Unix 變種中引入的，以後在 AT&T 的 System III 中採用。如今在大部分 Unix 系統 (包括 Linux) 中均可以找到。

IPC 資源包含信號量、消息隊列和共享內存三種。IPC 的數據結構是在進程請求 IPC 資源時動態建立的。每一個 IPC 資源都是持久的：除非被進程顯式地釋放，不然永遠駐留在內存中(直到系統關閉)。IPC 資源能夠由任一進程使用，包括那些不共享祖先進程所建立的資源的進程。
因爲一個進程可能須要同類型的多個 IPC 資源，所以每一個新資源都是使用一個 32 位的 IPC 關鍵字來標識的，這和系統的目錄樹中的文件路徑名相似。每一個 IPC 資源都有一個 32 位的 IPC 標識符，這與和打開文件相關的文件描述符有些相似。IPC 標識符由內核分配給 IPC 資源，在系統內部是惟一的，而 IPC 關鍵字能夠由程序員自由地選擇。
當兩個或者更多的進程要經過一個 IPC 資源進行通訊時，這些進程都要引用該資源的 IPC 標識符。

共享內存是進程間通訊的一種最基本、最快速的機制。共享內存是兩個或多個進程共享同一塊內存區域，並經過該內存區域實現數據交換的進程間通訊機制。一般是由一個進程開闢一塊共享內存區域，而後容許多個進程對此區域進行訪問。因爲不須要使用中間介質，而是數據由內存直接映射到進程空間，所以共享內存是最快速的進程間通訊機制。
使用共享內存有兩種方法：映射 /dev/mem 設備和內存映像文件。本文主要經過 demo 演示經過映射 /dev/mem 設備實現共享內存的方法。

共享內存的最大不足之處在於，因爲多個進程對同一塊內存區具備訪問的權限，各個進程之間的同步問題顯得尤其突出。必須控制同一時刻只有一個進程對共享內存區域寫入數據，不然將形成數據的混亂。同步控制的問題，筆者將在隨後的文章中介紹如何經過信號量解決。

共享內存相關的數據結構

ipc_perm 結構

對於每個進程間通訊機制的對象，都有一個 ipc_perm 結構與之相對應，該結構的定義以下：

struct ipc_perm
{
    uid_t uid;
    gid_t gid;
    uid_t cuid;
    gid_t cgid;
    mode_t mode;
    ulong seq;
    key_t key;
}

該結構用於記錄對象的各類相關信息，各個字段的具體含義以下：
uid：全部者的有效用戶 ID。
gid：全部者的有效組 ID。
cuid：建立者的有效用戶 ID。
cgid：建立者的有效組 ID。
mode：表示此對象的訪問權限。
seq：對象的應用序號。
key：對象的鍵。

shmid_ds 結構

每一個共享內存都有與之相對應的 shmid_ds 結構，其定義以下：

struct shmid_ds
{
    struct ipc_perm shm_perm;
    int shm_segsz;
    pid_t shm_cpid;
    pid_t shm_lpid;
    ulong shm_nattch;
    time_t shm_atime;
    time_t shm_dtiem;
    time_t shm_ctime;
}

此機構記錄了一個共享內存的各類屬性，該結構的各個字段的含義以下：
shm_perm：對應於該共享內存的 ipc_perm 結構。
shm_segsz：以字節表示的共享內存區域的大小。
shm_lpid：最近一次調用 shmop 函數的進程 ID。
shm_cpid：建立該共享內存的進程 ID。
shm_nattch：當前使用該共享內存區域的進程數。
shm_atime：最近一次附加操做的時間。
shm_dtime：最近一次分離操做的時間。
shm_ctime：最近一次改變的時間。

操做共享內存的函數

建立或打開共享內存

要使用共享內存，首先要建立一個共享內存區域，建立共享內存區域的函數聲明以下：

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

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

函數 shmget 除了可用於建立一個新的共享內存外，也可用於打開一個已存在的共享內存。其中，參數 key 表示所建立或打開的共享內存的鍵。參數 size 表示共享內存區域的大小，只在建立一個新的共享內存時生效。參數 flag 表示調用函數的操做類型，也可用於設置共享內存的訪問權限。
當函數調用成功時，返回值爲共享內存的引用標識符；調用失敗時，返回值爲 -1。

附加共享內存

當一個共享內存建立或打開後，某個進程若是要使用該共享內存，則必須將這個共享內存區域附加到它的地址空間中。附加操做的函數聲明以下：

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

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

參數 shmid 表示要附加的共享內存區域的引用標識符。參數 shmaddr 和 flag 共通決定共享內存區域要附加到的地址值。好比設置 shmaddr 爲 0 時，系統將自動查找進程地址空間，將共享內存區域附加到第一塊有效內存區域上，此時 flag 參數無效。
當函數調用成功時，返回值爲指向共享內存區域的指針；調用失敗時，返回值爲 -1。

分離共享內存

當一個進程對共享內存區域的訪問完成後，能夠調用 shmdt 函數使共享內存區域與該進程的地址空間分離，shmdt 函數的聲明以下：

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

int shmdt(const void *shmaddr);

此函數僅用於將共享內存區域與進程的地址空間分離，並不刪除共享內存自己。參數 shmaddr 爲指向要分離的共享內存區域的指針(就是調用 shmat 函數的返回值)。該函數調用成功時返回 0；調用失敗時返回 -1。

共享內存的控制

對共享內存區域的具體控制操做是經過函數 shmctl 來實現的，shmctl 函數的聲明以下：

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

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

參數 shmid 爲共享內存的引用標識符。參數 cmd 表示調用該函數但願執行的操做。參數 buf 是指向 shmid_ds 結構體的指針。參數 cmd 的取值和對應的操做以下：
SHM_LOCK：將共享內存區域上鎖。
IPC_RMID：用於刪除共享內存。
IPC_SET：按參數 buf 指向的結構中的值設置該共享內存對應的 shmid_ds 結構。
IPC_STAT：用於取得該共享內存區域的 shmid_ds 結構，保存到 buf 指向的緩衝區。
SHM_UNLOCK：將上鎖的共享內存區域釋放。

進程間經過共享內存通訊的 demo

下面咱們建立兩個程序 demoa 和 demob 來簡單的演示進程間如何經過共享內存通訊。其中 demoa 的代碼以下：

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

#define BUF_SIZE 1024
#define MYKEY 24

int main(void)
{
    int shmid;
    char *shmptr;
    // 建立或打開內存共享區域
    if((shmid=shmget(MYKEY,BUF_SIZE,IPC_CREAT))==-1){
        printf("shmget error!\n");
        exit(1);
    }
    if((shmptr=shmat(shmid,0,0))==(void*)-1){
        printf("shmat error!\n");
        exit(1);
    }
    while(1){
        // 把用戶的輸入存到共享內存區域中
        printf("input:");
        scanf("%s",shmptr);
    }
    exit(0);
}

demoa 程序建立或打開 key 爲 24 的共享內存區域，並把用戶輸入的字符串存入這個共享內存區域。把上面的代碼保存到文件 shm_a.c 文件中，並用下面的命令編譯：

$ gcc -Wall shm_a.c -o demoa

下面是 demob 的代碼：

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

#define BUF_SIZE 1024
#define MYKEY 24

int main(void)
{
    int shmid;
    char *shmptr;
    // 建立或打開內存共享區域
    if((shmid=shmget(MYKEY,BUF_SIZE,IPC_CREAT))==-1){
        printf("shmget error!\n");
        exit(1);
    }
    if((shmptr=shmat(shmid,0,0))==(void*)-1){
        fprintf(stderr,"shmat error!\n");
        exit(1);
    }
    while(1){
        // 每隔 3 秒從共享內存中取一次數據並打印到控制檯
        printf("string:%s\n",shmptr);
        sleep(3);
    }
    exit(0);
}

demob 程序建立或打開 key 爲 24 的共享內存區域，而後每隔 3 秒從共享內存中取一次數據並打印到控制檯。這樣經過共享內存程序 demob 就能夠獲取到 demoa 程序中的數據。 把上面的代碼保存到文件 shm_b.c 文件中，並用下面的命令編譯：

$ gcc -Wall shm_b.c -o demob

接下來分別運行 demoa 和 demob，而後嘗試在 demoa 中輸入一些字符串：

demob 徹底不關心 demoa 在幹什麼，只是機械的每隔 3 秒鐘去共享內存中取一次數據，取到什麼就輸出什麼。

管理 ipc 資源的基本命令

咱們在 demoa 和 demob 中並無經過 shmctl 函數在適當的時機刪除建立的共享內存區域，因此當程序 demoa 和 demob 退出後，咱們建立的 key 爲 24 的共享內存區域仍然駐留在系統的內存中。
Linux 系統默認自帶了一些管理 ipc 資源的基本命令，好比 ipcs、ipcmk 和 ipcrm。咱們可使用 ipcs 命令查看系統中的 ipc 資源：

$ ipcs -m

紅框中的共享內存就是咱們的 demo 程序建立的，第一列的 key 0x18 換算成十進制就是 24。
如今咱們已經不須要這個共享內存區域了，因此可使用下面的命令把它刪除掉：

$ sudo ipcrm -M 24

固然，除了刪除 ipc 資源，咱們還能夠經過 ipcmk 命令建立 ipc 資源。關於 ipcs、ipcmk 和 kpcrm 這三個命令的具體用法請參考相關的 man page，此文再也不贅述。

總結

本文簡單的介紹了 IPC 相關的基本概念和共享內存編程中的一些結構與函數。並經過一個簡單的 demo 演示了共享內存工做的基本原理。因爲 demo 中沒有采起任何同步技術，demob 的輸出就顯得有些雜亂無章。在接下來介紹信號量的文章中，咱們會在 demo 中經過信號量來同步共享內存的訪問。

參考：
《深刻理解 Linux 內核》
《Linux 環境下 C 編程指南》