Linux进程通信之System V共享内存

前面已经介绍过了POSIX共享内存区，System V共享内存区在概念上类似POSIX共享内存区，POSIX共享内存区的使用是调用shm_open创建共享内存区后调用mmap进行内存区的映射，而System V共享内存区则是调用shmget创建共享内存区然后调用shmat进行内存区的映射。

对每个System V共享内存区，内核会维护一个shmid_ds的数据结构，Linux 2.6.18 中的定义如下：

<bits/shm.h>

/* 连接共享内存区的进程数的数据类型 */
typedef unsigned long int shmatt_t;

struct shmid_ds
{
    struct ipc_perm shm_perm;           /* operation permission struct */
    size_t shm_segsz;                   /* 共享存储段的最大字节数 */

    __time_t shm_atime;                 /* time of last shmat() */
    __time_t shm_dtime;                 /* time of last shmdt() */
    __time_t shm_ctime;                 /* time of last change by shmctl() */

    __pid_t shm_cpid;                   /* pid of creator */
    __pid_t shm_lpid;                   /* pid of last shmop */

    shmatt_t shm_nattch;                /* 连接共享内存区的进程数 */

//保留字段
#if __WORDSIZE == 32
    unsigned long int __unused1;
	unsigned long int __unused2;
	unsigned long int __unused3;
#endif
    unsigned long int __unused4;
    unsigned long int __unused5;
};

1 System V共享内存区的创建和打开

下面是shmget函数的接口以及说明：

#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
                     //成功返回共享内存标识符，失败返回-1

shmget函数用于创建或打开一个共享内存区对象，shmget成功调用会返回一个共享内存区的标识符，供其它的共享内存区操作函数使用。

key：用于创建共享内存区的键值，这个在前面其他System IPC创建的时候已经讨论过了，System IPC都有一个key，作为IPC的外部标识符，创建成功后返回的描述符作为IPC的内部标识符使用。key的主要目的就是使不同进程在同一IPC汇合。key具体说可以有三种方式生成：

• 不同的进程约定好的一个值；
• 通过相同的路径名和项目ID，调用ftok()函数，生成一个键；
• 还可以设置为IPC_PRIVATE，这样就会创建一个新的，唯一的IPC对象；然后将返回的描述符通过某种方式传递给其他进程；

size：指定创建共享内存区的大小，单位是字节。如果实际操作为创建一个共享内存区时，必须指定一个非0值，如果实际操作是访问一个已存在的共享内存区，那么size应为0。

shmflg：指定创建或打开消息队列的标志和读写权限（ipc_perm中的mode成员）。我们知道System V IPC定义了自己的操作标志和权限设置标志，而且都是通过该参数传递，这和open函数存在差别，open函数第三个参数mode用于传递文件的权限标志。System V IPC的操作标志包含：IPC_CREAT，IPC_EXCL。读写权限如下图：

图1 System V共享内存区的读写权限标志

System V共享内存区在创建后，该size大小的内存区会被初始化为0，这和POSIX共享内存不同，POSIX标准并没有规定新创建的POSIX共享内存区的初始内容。

2 System V共享内存区的连接和断接

通过shmctl创建或打开共享内存区对象后，并没有将该共享内存区映射到调用进程的地址空间中，所以无法访问该共享内存区，需要通过shmat函数，将该共享内存区连接到调用进程的地址空间中，才能进行访问，当该进程完成对该共享内存区的访问后，可以调用shmdt断接这个共享内存区，当然进程结束后会自动断接所有连接的共享内存区。下面是shmat和shmdt函数的接口以及说明：

#include <sys/shm.h>
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
                        //成功返回映射区的起始地址，失败返回-1
int shmdt(const void *shmaddr);
                        //成功返回0，失败返回-1

shmat用于将一个共享内存区连接到调用进程的地址空间中。

shmid：打开的System V共享内存对象的标识符；

shmaddr和shmflg参数共同决定了共享内存区连接到调用进程的具体地址，规则如下：

• shmaddr为空指针：连接的地址由系统内核决定，这是推荐的方法，具有可移植性。
• shmaddr非空：此时还要根据shmflg参数是否指定SHM_RND标志进行判断：
  • 没有指定SHM_RND：共享内存区连接到调用进程的shmaddr指定的地址；
  • 指定SHM_RND：共享内存区连接到shmaddr指定的地址向下舍入SHMLBA的位置。

shmflg：除了上面说的SHM_RND外，还有可以指定SHM_RDONLY标志，限定只读访问。一般该标志置为0。

shmdt用于将一个共享内存区从该进程内断接，当一个进程终止时，它连接的所有共享内存区会自动断接。

3 System V共享内存区的控制操作

shmctl函数可以对共享内存区进行多种控制操作，下面是shmctl函数的接口以及说明：

#include <sys/shm.h>
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
                     //成功返回0，失败返回-1

shmid：共享内存区的标识符。

cmd：对共享内存区控制操作的命令，Open Group 的SUS定义了一下三个操作命令：

• IPC_SET：按第三个参数buf所指定的内容，设置共享内存区的操作权限字段的：shm_perm.uid，shm_perm.gid和shm_perm.mode。此命令只能由以下进程执行：有效用户ID等于shm_perm.uid或shm_perm.cuid，以及有超级用户权限的进程。
• IPC_STAT：获取共享内存区的shmid_ds结构，存放到传入的第三个参数中。
• IPC_RMID：从系统内核中删除该共享内存区。因为每个共享内存区有一个连接数据的计数，除非连接该共享内存区的最后一个进程断接或终止，否则该共享内存区不会被实际删除。这和其他的System V IPC，例如System V消息队列的删除差别很大，倒是和POSIX IPC的xxx_unlink删除操作很相识。调用该命令后，该共享内存区标识符不能再继续被连接。此命令也只能由以下进程执行：有效用户ID等于shm_perm.uid或shm_perm.cuid，以及有超级用户权限的进程。

在Linux中还定义了其他的控制命令，如：IPC_INFO，SHM_INFO，SHM_LOCK，SHM_UNLOCK等，具体可以参考Linux手册。

下面是创建System V共享内存区和查看其属性的测试代码：

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <errno.h>

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/shm.h>

using namespace std;

#define PATH_NAME "/tmp/shm"

int main()
{
    int fd;

    if ((fd = open(PATH_NAME, O_CREAT, 0666)) < 0)
    {
        cout<<"open file "<<PATH_NAME<<"failed.";
        cout<<strerror(errno)<<endl;
        return -1;
    }

    close(fd);

    key_t key = ftok(PATH_NAME, 0);

    int shmID;
    
    if ((shmID = shmget(key, sizeof(int), IPC_CREAT | 0666)) < 0)
    {
        cout<<"shmget failed..."<<strerror(errno)<<endl;
        return -1;
    }

    shmid_ds shmInfo;
    shmctl(shmID, IPC_STAT, &shmInfo);

    cout<<"shm key:0x"<<hex<<key<<dec<<endl;
    cout<<"shm id:"<<shmID<<endl;
    cout<<"shm_segsz:"<<shmInfo.shm_segsz<<endl;
    cout<<"shm_nattch:"<<shmInfo.shm_nattch<<endl;

    return 0;
}

执行结果如下：

shm key:0x80e7
shm id:5898284
shm_segsz:4		//共享内存区的大小
shm_nattch:0	//共享内存区的连接数目

通过ipcs命令查看该新创建的共享内存区对象：

[root@idcserver program]# ipcs -m -i 5898284
Shared memory Segment shmid=5898284
uid=0   gid=0   cuid=0  cgid=0
mode=0666       access_perms=0666
bytes=4 lpid=0  cpid=16422      nattch=0
att_time=Not set                   
det_time=Not set                   
change_time=Tue Aug 13 15:34:35 2013 

4 System V共享内存区的限制

和其中的System V IPC一样，System V共享内存也存在系统的限制，关于系统范围内对共享内存的限制，在Linux 2.6.18 <bits/shm.h>中定义了shminfo结构，该结构显示了系统内核的限制，如下：

#include <bits/shm.h>
struct  shminfo
{
    unsigned long int shmmax;	//一个共享内存区的最大字节数
    unsigned long int shmmin;	//一个共享内存区的最小字节数
    unsigned long int shmmni;	//系统范围内的共享内存区对象的最大个数
    unsigned long int shmseg;	//每个进程连接的最大共享内存区的数目
    unsigned long int shmall;	//系统范围内的共享内存区的最大页数
    unsigned long int __unused1;
    unsigned long int __unused2;
    unsigned long int __unused3;
    unsigned long int __unused4;
};

在Linux 下shmctl中可以指定IPC_INFO来获取上面结构所示的系统范围内的限制。在Linux下，具体的限制值可以通过sysctl来查看，如下：

[root@idcserver program]# sysctl -a | grep shm
...
kernel.shmmni = 4096			//系统范围内的共享内存区对象的最大个数
kernel.shmall = 4294967296		//系统范围内的共享内存区的最大页数
kernel.shmmax = 68719476736		//一个共享内存区的最大字节数

一般情况下不需要对System V共享内存区的系统限制进程修改，因为基本可以满足应用需求，如果要在系统范围内对内核限制进行修改，在Linux下面可以通过修改/etc/sysctl.conf 内核参数配置文件，然后配合sysctl命令来对内核参数进行设置。例如下面示例：

[root@idcserver program]#echo "kernel.shmmni= 1000" >>/etc/sysctl.conf
[root@idcserver program]#sysctl -p
[root@idcserver program]#sysctl -a |grep shm
kernel.shmmni = 1000
kernel.shmall = 4294967296
kernel.shmmax = 68719476736

5 System V共享内存区的使用

下面是System V共享内存区的使用示例，进程1通过共享内存区向进程2发送一条消息，对共享内存区的同步采用System V信号量来完成。如下：

//process 1
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <errno.h>

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>

using namespace std;

#define PATH_NAME "/tmp/shm"

union semun  
{  
    int val;                             
    struct semid_ds *buf;               
    unsigned short int *array;        
    struct seminfo *__buf;            
};  

int main()
{
    int fd;

    if ((fd = open(PATH_NAME, O_RDONLY | O_CREAT, 0666)) < 0)
    {
        cout<<"open file "<<PATH_NAME<<"failed.";
        cout<<strerror(errno)<<endl;
        return -1;
    }

    close(fd);

    key_t keyShm = ftok(PATH_NAME, 0);
    key_t keySem = ftok(PATH_NAME, 1);

    int shmID, semID;
    
    if ((shmID = shmget(keyShm, sizeof(int), IPC_CREAT | 0666)) < 0)
    {
        cout<<"shmget failed..."<<strerror(errno)<<endl;
        return -1;
    }

    int *buf = (int *)shmat(shmID, 0, 0);

    if ((semID = semget(keySem, 1, IPC_CREAT | 0666)) < 0)
    {
        cout<<"semget failed..."<<strerror(errno)<<endl;
        return -1;
    }

    semun arg; 
    arg.val = 0;  //初始化信号量资源的数目为0

    if (semctl(semID, 0, SETVAL, arg) < 0)  
    {  
        cout<<"semctl error "<<strerror(errno)<<endl;  
        return -1;  
    }  

    
    struct sembuf buffer;  
    buffer.sem_num = 0;  
    buffer.sem_op = 1;  
    buffer.sem_flg = 0;  

    *buf = 111;
    cout<<"process 1:send "<<*buf<<endl;

	//将信号量资源加1，以表示共享内存区内已有资源
    semop(semID, &buffer, 1);

    return 0;
}

//process 2
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <errno.h>

#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>

using namespace std;

#define PATH_NAME "/tmp/shm"

union semun  
{  
    int val;                             
    struct semid_ds *buf;               
    unsigned short int *array;        
    struct seminfo *__buf;            
};  

int main()
{
    int fd;

    if ((fd = open(PATH_NAME, O_RDONLY)) < 0)
    {
        cout<<"open file "<<PATH_NAME<<"failed.";
        cout<<strerror(errno)<<endl;
        return -1;
    }

    close(fd);

    key_t keyShm = ftok(PATH_NAME, 0);
    key_t keySem = ftok(PATH_NAME, 1);

    int shmID, semID;
    
    if ((shmID = shmget(keyShm, sizeof(int), 0)) < 0)
    {
        cout<<"shmget failed..."<<strerror(errno)<<endl;
        return -1;
    }

    int *buf = (int *)shmat(shmID, 0, 0);

    if ((semID = semget(keySem, 1, 0)) < 0)
    {
        cout<<"semget failed..."<<strerror(errno)<<endl;
        return -1;
    }
    
    struct sembuf buffer;  
    buffer.sem_num = 0;  
    buffer.sem_op = -1;  
    buffer.sem_flg = 0;  

	//获得信号量资源
	semop(semID, &buffer, 1);

    cout<<"process 2:recv "<<*buf<<endl;

    return 0;
}

测试结果为：

# ./send 
process 1:send 111
# ./recv 
process 2:recv 111

Aug, 13 PM 22:18 @lab
今天貌似是个悲伤的日子。。。你们都在那啪啪啪，我们只能在这撸呀撸。。。实验室今天还一起吃饭，好久没喝酒，喝了不到两瓶啤的就晕了，哎，老了。。。15号就要放假了，好好看书，准备找工作了。。。