本文关键字： linux 共享内存，linux 共享内存编程

    可以说，共享内存是一种为高效的进程间通信方式，因为进程可以直接读写内存，不需要任何数据的复制。为了在多个进程间交换信息，内核专门留出了一块内存区，这段内存区可以由需要访问的进程将其映射到自己的私有地址空间。因此，进程就可以直接读写这一内存区而不需要进行数据的复制，从而大大提高了效率。当然，由于多个进程共享一段内存，因此也需要依靠某种同步机制，如互斥锁和信号量等。其原理示意图如图1所示。

图1 共享内存原理示意图

    共享内存的实现分为两个步骤：第一步是创建共享内存，这里用到的函数是shmget()，也就是从内存中获得一段共享内存区域；第二步是映射共享内存，也就是把这段创建的共享内存映射到具体的进程空间中，这里使用的函数是shmat()。到这里，就可以使用这段共享内存了，也就是可以使用不带缓冲的I/O读写命令对其进行操作。除此之外，还有撤销映射的操作，其函数为shmdt()。这里主要介绍这3个函数。

    表1 列举了shmget()函数的语法要点。

表1 shmget()函数语法要点

    表2列举了shmat()函数的语法要点。

表2 shmat()函数语法要点

    表3列举了shmdt()函数的语法要点。

表3 shmdt()函数语法要点

    以下实例说明了如何使用基本的共享内存函数。首先创建一个共享内存区（采用的共享内存的键值为IPC_PRIVATE，是因为本实例中创建的共享内存是父子进程间的共用部分），然后创建子进程，在父子两个进程中将共享内存分别映射到各自的进程地址空间中。

    父进程先等待用户输入，然后将用户输入的字符串写入到共享内存，之后向共享内存的头部写入“WROTE”字符串表示父进程已成功写入数据。子进程一直等到共享内存的头部字符串为“WROTE”，然后将共享内存的有效数据（在父进程中用户输入的字符串）在屏幕上打印。父子两个进程在完成以上工作后，分别解除与共享内存的映射关系。

    后在子进程中删除共享内存。因为共享内存自身并不提供同步机制，所以应额外实现不同进程间的同步（如信号量）。为了简单起见，在本实例中用标志字符串来实现非常简单的父子进程间的同步。

    这里要介绍的一个命令是ipcs，用于报告进程间通信机制状态，它可以查看共享内存、消息队列等各种进程间通信机制的情况，这里使用了system()函数调用shell命令“ipcs”。程序源代码如下：

    /* shmem.c */
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/ipc.h>
    #include <sys/shm.h>
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <string.h>

    #define BUFFER_SIZE 2048

    int main()
    {
        pid_t pid;
        int shmid;
        char *shm_addr;
        char flag[] = "WROTE";
        char *buff;

        /* 创建共享内存 */
        if ((shmid = shmget(IPC_PRIVATE, BUFFER_SIZE, 0666)) < 0)
        {
            perror("shmget");
            exit(1);
        }
        else
        {
        printf("Create shared-memory: %d\n",shmid);
        }

        /* 显示共享内存情况 */
        system("ipcs -m");

        pid = fork();
        if (pid == -1)
        {
            perror("fork");
            exit(1);
        }
        else if (pid == 0) /* 子进程处理 */
        {
            /* 映射共享内存 */
            if ((shm_addr = shmat(shmid, 0, 0)) == (void*)-1)
            {
                perror("Child: shmat");
                exit(1);
            }
            else
            {
                printf("Child: Attach shared-memory: %p\n", shm_addr);
            }
            system("ipcs -m");

            /* 通过检查在共享内存的头部是否有标志字符串“WROTE”来确认父进程已经向共享内存写入有效数据 */
            while (strncmp(shm_addr, flag, strlen(flag)))
            {
                printf("Child: Wait for enable data...\n");
                sleep(5);
            }

            /* 获取共享内存的有效数据并显示 */
            strcpy(buff, shm_addr + strlen(flag));
            printf("Child: Shared-memory :%s\n", buff);

            /* 解除共享内存映射 */
            if ((shmdt(shm_addr)) < 0)
            {
                perror("shmdt");
                exit(1);
            }
            else
            {
                printf("Child: Deattach shared-memory\n");
            }
            system("ipcs -m");

            /* 删除共享内存 */
            if (shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL) == -1)
            {
                perror("Child: shmctl(IPC_RMID)\n");
                exit(1);
            }
            else
            {
                printf("Delete shared-memory\n");
            }

            system("ipcs -m");
        }
        else /* 父进程处理 */
        {
            /* 映射共享内存 */
            if ((shm_addr = shmat(shmid, 0, 0)) == (void*)-1)
            {
                perror("Parent: shmat");
                exit(1);
            }
            else
            {
                printf("Parent: Attach shared-memory: %p\n", shm_addr);
            }

            sleep(1);
            printf("\nInput some string:\n");
            fgets(buff, BUFFER_SIZE, stdin);
            strncpy(shm_addr + strlen(flag), buff, strlen(buff));
            strncpy(shm_addr, flag, strlen(flag));

            /* 解除共享内存映射 */
            if ((shmdt(shm_addr)) < 0)
            {
                perror("Parent: shmdt");
                exit(1);
            }
            else
            {
                printf("Parent: Deattach shared-memory\n");
            }
            system("ipcs -m");

            waitpid(pid, NULL, 0);
            printf("Finished\n");
        }

        exit(0);
    }

    下面是运行结果，从该结果中可以看出，nattch的值随着共享内存状态的变化而变化，共享内存的值根据不同的系统会有所不同。

    $ ./shmem
    Create shared-memory: 753665
    /* 在刚创建共享内存时（尚未有任何地址映射）共享内存的情况 */
    ------ Shared Memory Segments --------
    key        shmid    owner    perms    bytes    nattch    status
    0x00000000 753665   david    666      2048      0

    Child: Attach shared-memory: 0xb7f59000 /* 共享内存的映射地址 */
    Parent: Attach shared-memory: 0xb7f59000
    /* 在父子进程中进行共享内存的地址映射后共享内存的情况 */
    ------ Shared Memory Segments --------
    key        shmid    owner    perms    bytes    nattch    status
    0x00000000 753665   david    666      2048      2

    Child: Wait for enable data...

    Input some string:
    Hello /* 用户输入字符串“Hello” */
    Parent: Deattach shared-memory
    /* 在父进程中解除共享内存的映射关系后共享内存的情况 */
    ------ Shared Memory Segments --------
    key        shmid    owner    perms    bytes    nattch    status
    0x00000000 753665   david    666      2048      1
    /* 在子进程中读取共享内存的有效数据并打印 */
    Child: Shared-memory :hello

    Child: Deattach shared-memory
    /* 在子进程中解除共享内存的映射关系后共享内存的情况 */
    ------ Shared Memory Segments --------
    key        shmid    owner    perms    bytes    nattch    status
    0x00000000 753665   david    666      2048      0

    Delete shared-memory
    /* 在删除共享内存后共享内存的情况 */
    ------ Shared Memory Segments --------
    key        shmid    owner    perms    bytes    nattch    status

    Finished

    本文选自华清远见嵌入式培训教材《从实践中学嵌入式Linux应用程序开发》

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