[Linux] 共享内存

在Linux中，共享内存是一种允许不同进程之间直接交换数据的高效机制。它是IPC（Inter-Process Communication，进程间通信）的一种方式，允许多个进程通过映射同一块物理内存区域来实现数据共享，而无需使用内核来中转数据，从而大大提高了效率。

本文将介绍Linux共享内存的基本概念、使用方法以及在实际开发中的应用。

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1. 什么是共享内存

共享内存允许不同进程访问同一块物理内存。多个进程可以将这块共享内存映射到各自的地址空间，进而可以高效地交换数据。这种方式比通过管道、消息队列或套接字传递数据要高效，因为数据直接存在共享内存中，避免了内核的中间转发。

2. 共享内存的特点

• 高效性：共享内存不经过内核转发，因此进程间通信速度极快，特别适合大规模数据交换。
• 易于管理：共享内存通过标准的内存管理方法进行访问和控制，使用起来比较直观。
• 同步问题：由于多个进程可以同时访问同一块内存，可能会出现竞争条件。因此，必须通过某种同步机制（如信号量）来保证数据的一致性。

3. Linux中共享内存的实现

在Linux中，共享内存通常通过shmget、shmat、shmdt等系统调用来进行管理。使用这些调用可以创建、连接、分离和控制共享内存区。

创建共享内存段

首先，进程需要调用shmget来创建共享内存段。该函数的定义如下：

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

• key: 一个标识共享内存段的键值，通常通过ftok函数生成。
• size: 共享内存段的大小，单位为字节。
• shmflg: 控制共享内存段创建的标志。常用的标志有：
  • IPC_CREAT: 如果共享内存段不存在，则创建一个新的共享内存段。
  • IPC_EXCL: 如果共享内存段已经存在，返回错误。

映射共享内存到进程地址空间

创建共享内存后，进程需要使用shmat来将共享内存映射到自己的地址空间：

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

• shmid: 通过shmget返回的共享内存段的标识符。
• shmaddr: 可选，指定共享内存的映射地址，通常为NULL，由系统自动分配。
• shmflg: 映射标志，常用值有SHM_RDONLY（只读）和0（读写）。

返回值是共享内存段的首地址，进程可以通过该地址进行数据读写。

分离共享内存

当进程不再需要访问共享内存时，可以调用shmdt将其从进程的地址空间中分离：

int shmdt(const void *shmaddr);

• shmaddr: 共享内存段的首地址。

删除共享内存段

最后，如果共享内存段不再使用，可以调用shmctl删除它：

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

• shmid: 共享内存段的标识符。
• cmd: 操作类型，IPC_RMID表示删除共享内存段。
• buf: 一个指向shmid_ds结构体的指针，通常传入NULL即可。

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4. 共享内存的同步问题

共享内存本身并不提供同步机制，因此在多个进程同时访问共享内存时，必须显式地使用一些同步工具来避免数据竞争。

最常见的同步工具有：

• 信号量（Semaphore）：信号量用于控制多个进程对共享资源的访问。可以通过semget、semop等系统调用来使用。
• 互斥锁（Mutex）：类似于信号量，但专门用于保证在任意时刻只有一个进程可以访问共享内存。

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5. 共享内存的应用场景

• 高速缓存：在多进程应用中，多个进程可能需要访问大量的共享数据。通过共享内存，可以避免数据的复制，从而提高系统性能。
• 数据交换：在多个进程之间频繁交换大量数据时，共享内存能够提供比管道、消息队列更高的效率。
• 分布式计算：多个计算进程可以通过共享内存交换计算结果，在高性能计算中尤为重要。

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6. 示例代码：创建和使用共享内存

下面是一个简单的共享内存示例，演示了如何创建共享内存、写入数据、然后读取数据。

ShareMemory.hpp

#pragma once
#include <iostream>
#include <string>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>const std::string gpath = "/home/an/code";
const int gprojId = 0x6666;
//
const int gshmsize = 4096;
mode_t gmode = 0600;std::string ToHex(key_t key)
{char buff[gshmsize];snprintf(buff, sizeof(buff), "0x%x", key);return buff;
}class ShareMemory
{
private:void CreatMemoryHelper(int shmflg){// 1.创建key// ftok()_key = ::ftok(gpath.c_str(), gprojId);if (_key < 0){std::cerr << "ftok error" << std::endl;return;}// 2.int _shmid = ::shmget(_key, gshmsize, shmflg);if (_shmid < 0){std::cerr << "shm get error." << std::endl;return;}}public:ShareMemory(): _shmid(-1),_key(0),_addr(nullptr){}~ShareMemory(){}void CreatMemory(){CreatMemoryHelper(IPC_CREAT | IPC_EXCL | gmode);}void GetShm(){CreatMemoryHelper(IPC_CREAT);}void AttachShm(){_addr = shmat(_shmid, nullptr, 0); // 为什么会失败？？？if ((long long)_addr == -1){std::cout << "attach error" << std::endl;return;}return;}void DetachShm(){if (_addr != nullptr)::shmdt(_addr);std::cout << "detach done: " << std::endl;}void DeleteShm(){shmctl(_shmid, IPC_RMID, nullptr);}void *GetAddr(){return _addr;}void ShmMeta(){}private:int _shmid;key_t _key;void *_addr;};//临时
ShareMemory shm;

Server.cc

#include <iostream>
#include <unistd.h>
#include "ShareMemory.hpp"int main()
{shm.CreatMemory();shm.AttachShm();std::cout << "server attach done" << std::endl;sleep(10);shm.DetachShm();std::cout << "server detach done" << std::endl;sleep(10);shm.DeleteShm();std::cout << "server delete done" << std::endl;sleep(10);return 0;
}

Client.cc

#include <iostream>
#include "ShareMemory.hpp"int main()
{shm.GetShm();shm.AttachShm();//在这里进行IPCshm.DetachShm();shm.DeleteShm();return 0;
}

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7. 总结

Linux共享内存为进程间数据交换提供了一种高效、低延迟的方式。它通过直接映射内存区域来避免了数据的复制和内核的干预，是需要高性能通信的应用程序中不可或缺的技术。然而，共享内存也带来了同步和访问控制的挑战，开发者需要谨慎设计以保证数据一致性和安全性。