linux进程间通信之共享内存（mmap,shm_open）

         共享内存，顾名思义就是允许两个不相关的进程访问同一个逻辑内存，共享内存是两个正在运行的进 程之间共享和传递数据的一种非常有效的方式。不同进程之间共享的内存通常为同一段物理内存。进程可以将同一段物理内存连接到他们自己的地址空间中，所有的进程都可以访问共享内存中的地址。如果某个 进程向共享内存写入数据，所做的改动将立即影响到可以访问同一段共享内存的任何其他进程。 Linux 操作系统的进程通常使用的是虚拟内存，虚拟内存空间是有由物理内存映射而来的。System V 共 享内存能够实现让两个或多个进程访问同一段物理内存空间，达到数据交互的效果。

共享内存和其他进程间数据交互方式相比，有以下几个突出特点：

        1.速度快，因为共享内存不需要内核控制，所以没有系统调用。而且没有向内核拷贝数据的过程，所以效率和前面几个相比是最快的，可以用来进行批量数据的传输，比如图片。

        2. 没有同步机制，需要借助 Linux 提供其他工具来进行同步，通常使用信号灯。

使用共享内存的步骤：

1. 调用 shmget() 创建共享内存段 id ，

2. 调用 shmat() 将 id 标识的共享内存段加到进程的虚拟地址空间，

3. 访问加入到进程的那部分映射后地址空间，可用 IO 操作读写。

        在Linux系统中，有多种方式可以实现共享内存，其中一种是使用POSIX共享内（posix_shm）。POSIX共享内存有两种方法：

1.内存映射文件

        先用open函数打开一个文件，然后调用mmap函数把得到的描述符映射到当前进程地址空间中。这种方式访问速度相对较慢，因为需要内核同步或异步更新到文件系统中。

（1）代码

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <sys/mman.h>  
#include <unistd.h>  int main() {  // 打开文件  int fd = open("example.txt", O_RDWR);  if (fd == -1) {  perror("Error opening file");  exit(EXIT_FAILURE);  }  // 获取文件大小  struct stat sb;  if (fstat(fd, &sb) == -1) {  perror("Error getting the file size");  exit(EXIT_FAILURE);  }  off_t length = sb.st_size; // 文件大小，单位是字节  // 映射内存到进程的地址空间  char* map = mmap(NULL, length, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);  if (map == MAP_FAILED) {  perror("Error mmapping the file");  exit(EXIT_FAILURE);  }  // 打印映射的内存内容，即文件内容  for (off_t i = 0; i < length; i++) {  printf("%c", map[i]); // 打印每个字符，即文件内容  }  printf("\n");  // 释放内存映射和文件描述符  if (munmap(map, length) == -1) {  perror("Error un-mmapping the file");  exit(EXIT_FAILURE);  }  close(fd);  return 0;  
}

（2）注解

• open函数用于打开文件，其返回值是文件描述符。如果打开失败，则返回-1。第二个参数O_RDWR表示以读写模式打开文件。
• fstat函数用于获取文件的大小，其返回值是stat结构体，其中st_size成员表示文件大小（单位是字节）。如果获取失败，则返回-1。
• mmap函数用于将文件映射到进程的地址空间。第一个参数是映射区域的起始地址，通常为NULL。第二个参数是映射区域的长度。第三个参数是保护标志，这里设置为读、写和共享（可读、可写、可被其他进程共享）。第四个参数是映射对象的类型，这里设置为共享内存。第五个参数是文件描述符。第六个参数是文件映射的偏移量。如果映射成功，则返回映射区域的指针；否则返回MAP_FAILED。
• munmap函数用于释放内存映射。第一个参数是映射区域的指针。第二个参数是映射区域的长度。如果释放成功，则返回0；否则返回-1。

2.共享内存对象

        先用shm_open打开一个Posix IPC名字（也可以是文件系统中的一个路径名），然后调用mmap将返回的描述符映射到当前进程的地址空间。

（1）代码

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <sys/mman.h>  
#include <unistd.h>  #define SHM_SIZE 1024  // 共享内存大小  int main() {  int fd;  void *map_ptr;  // 打开共享内存对象，以读写模式打开，不创建新对象，如果对象不存在则返回-1  fd = shm_open("/Posix IPC", O_RDWR | O_CREAT, 0666);  if (fd == -1) {  perror("shm_open");  exit(EXIT_FAILURE);  }  // 调整共享内存对象的大小，这里将其设置为1024字节  if (ftruncate(fd, SHM_SIZE) == -1) {  perror("ftruncate");  exit(EXIT_FAILURE);  }  // 将共享内存对象的描述符映射到当前进程的地址空间，map_ptr指向的就是这块内存的起始地址  map_ptr = mmap(NULL, SHM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);  if (map_ptr == MAP_FAILED) {  perror("mmap");  exit(EXIT_FAILURE);  }  // 现在可以在map_ptr指向的内存区域进行读写操作了，这就像操作普通的内存一样简单  // ... 写入数据到 map_ptr 指向的内存区域 ...  // ... 从 map_ptr 指向的内存区域读取数据 ...  // 当进程不再需要访问共享内存时，可以通过调用munmap来撤销内存映射，参数是map_ptr和映射的长度  if (munmap(map_ptr, SHM_SIZE) == -1) {  perror("munmap");  exit(EXIT_FAILURE);  }  // 关闭共享内存对象的描述符，然后删除该对象，参数是fd和0，表示删除成功返回0，否则返回-1  if (close(fd) == -1) {  perror("close");  exit(EXIT_FAILURE);  }  if (shm_unlink("/my_shm") == -1) {  perror("shm_unlink");  exit(EXIT_FAILURE);  }  return 0;  
}

 （2）注解

• shm_open函数用于打开或创建共享内存对象。第一个参数是对象名，第二个参数是打开模式（这里使用读写模式），第三个参数是权限设置（这里设置为0666，表示所有用户都可以读写这个对象）。如果对象不存在，shm_open会创建一个新对象。如果创建成功，shm_open会返回一个文件描述符。如果失败，返回-1。
• ftruncate函数用于调整共享内存对象的大小。第一个参数是文件描述符，第二个参数是新的文件大小。这里将文件大小设置为1024字节。如果成功，ftruncate返回0；否则返回-1。
• mmap函数用于将共享内存对象的描述符映射到当前进程的地址空间。第一个参数是映射区域的起始地址（通常为NULL），第二个参数是映射区域的长度，第三个参数是保护标志（这里设置为读、写和共享），第四个参数是映射对象的类型（这里设置为共享内存），第五个参数是文件描述符，第六个参数是文件映射的偏移量。如果映射成功，mmap返回映射区域的指针；否则返回MAP_FAILED。

3.总结

        在使用共享内存时，需要注意同步问题。因为多个进程可以同时操作共享内存，可能导致数据不一致。互斥锁和信号量等同步机制可以解决这个问题。

        共享内存是一种非常有效的进程间通信方式，尤其适用于大数据量的传输和频繁的通信需求。但是，使用共享内存时需要注意同步和数据一致性问题。