共享內存是最高效的IPC機制，因為它不涉及進程之間的任何數據傳輸。這種高效率帶來的問題是，我們必須用i其他輔助手段來同步進程對共享內存的訪問，否則會產生競態條件。因此，共享內存通常和其他進程間通信方式一起使用。

linux共享內存的API都定義在sys/shm.h頭文件中，包括4個系統調用：shmget、shmat、shmdt和shmctl。

shmget系統調用

shmget系統調用創建一段新的共享內存，或者獲取一段已經存在的共享內存。定義如下：

#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);

和semget系統調用一樣，key參數是一個鍵值，用來標識一段全局唯一的共享內存。size參數指定共享內存的大小，單位是字節。如果是創建新的共享內存，則size值必須指定。如果是獲取已經存在的共享內存，則可以把size設置為0。

shmflg參數的使用和含義與semget系統調用的sem_flags參數相同。不過shmget支持兩個額外的標志：

• SHM_HUGETLB：類似于mmap的MAP_HUGETLB標志，系統將使用“大頁面”來為共享內存分配空間
• SHM_NORESERVE：類似于mmap的MAP_NORESERVE，不為共享內存保留交換分區（swap空間）。這樣，當物理內存不足的時候，對該共享內存執行寫操作將觸發SIGSEGV信號。

shmget成功時返回一個正整數值，它是共享內存的標識符。shmget失敗時返回-1，并設置errno。

如果shmget用于創建共享內存，則這段共享內存的所有自己都被初始化為0，與之關聯的內核數據結構shmid_ds將被創建并初始化。shmid_ds結構體的定義如下：

struct shmid_ds
{
    struct ipc_prem shm_prem;   /*共享內存的操作權限*/
    size_t shm_segsz;           /*共享內存大小，單位是字節*/
    __time_t shm_atime;         /*對這段內存最后一次調用shmat的時間*/
    __time_t shm_dtime;         /*對這段內存最后一次調用shmdt的時間*/
    __time_t shm_ctime;         /*對這段內存最后一次調用shmctl的時間*/
    __pid_t shm_cpid;           /*創建者PID*/
    __pid_t shm_lpid;           /*最后一次執行shmat或shmdt操作的進程PID*/
    shmatt_t shm_nattach;       /*目前關聯到此共享內存的進程數量*/
    /*省略一下填充字段*/
}

shmget對shmid_ds結構體的初始化包括：

• 將shm_perm.cuid和shm_perm.uid設置為調用進程的有效用戶ID
• 將shm_perm.cgid和shm_perm.gid設置為調用進程的有效組ID
• 將shm_perm.mode的最低9位設置為shmflg參數的最低9位
• 將shm_segsz設置為size
• 將shm_lpid、shm_nattach、shm_atime、shm_dtime設置為0
• 將shm_ctime設置為當前的時間

shmat和shmdt調用

共享內存被創建/獲取之后，我們不能立即訪問它，而是需要先將它關聯到進程的地址空間中。使用完共享內存之后，我們也需要將它從進程地址空間中分離。這兩項任務分別由兩個系統調用實現：

#include <sys/shm.h>

void* shmat(int shm_id， const void *shm_addr, int shmflg);

int shmdt(const void* shm_addr);

其中，shm_id參數是由shmget調用返回的共享內存標識符。

shm_addr參數指定將共享內存關聯到進程的哪塊地址空間，最終的效果還受到shmflg參數的可選標志SHM_RND影響：

• 如果shm_addr為NULL，則被關聯的地址由操作系統選擇。這是推薦的做法，以確保代碼的可移植性。
• 如果shm_addr非空，并且SHM_RND標志未被設置，則共享內存被關聯到addr指定的地址處。
• 如果shm_addr非空，并且設置了SHM_RND標志，則被關聯的地址是[shm_addr - (shm_addr % SHMLBA)]。SHMLBA的含義是“段低端邊界地址倍數”（Segment Low Boundary Address Multiple），它必須是內存頁面大小PAGE_SIZE的整數倍。現在的Linux內核中，它等于一個內存頁大小。SHM_RND的含義是圓整（round），即將共享內存被關聯的地址向下圓整到離shm_addr最近的SHMLBA的整數被地址處。

除了SHM_RND標志外，shmflg參數還支持如下標志：

• SHM_RDONLY：進程僅能讀取共享內存中的內容。若沒有指定該標志，則進程可同時對共享內存進行讀寫操作（當然，這需要在創建共享內存的時候指定其讀寫權限）
• SHM_REMAP：如果地址shmaddr已經被關聯到一段共享內存上，則重新關聯
• SHM_EXEC：它指定對共享內存段的執行權限。對共享內存而言，執行權限實際上和讀權限是一樣的。

shmat成功時返回共享內存被關聯到的地址，失敗則返回（void*）-1并設置errno。shmat成功時，將修改內核數據結構shmid_ds的部分字段：

• 將shm_nattach加1
• 將shm_lpid設置為調用進程PID
• 將shm_atime設置為當前的時間

shmdt函數將關聯到的shm_addr處的共享內存從進程中分離。它成功時返回0，失敗則返回-1并設置errno。shmdt在成功調用時將修改內核數據結構shmid_ds的部分字段：

• 將shm_nattach減1
• 將shm_lpid設置為調用進程的PID
• 將shm_dtime設置為當前的時間

shmctl系統調用

shmctl系統調用控制共享內存的某些屬性。定義如下：

#include <sys/shm.h>
int shmctl(int shm_id, int command, struct shmid_ds* buf);

其中，shm_id參數是由shmget調用返回的共享內存標識符。command參數指定要執行的命令。shm_ctl支持的所有命令如下表：

shmctl成功時的返回值取決于command參數，如上表，失敗是返回-1，并設置errno。

共享內存的POSIX方法

mmap函數利用它的MAP_ANONYMOUS標志可以實現父、子進程之間的匿名內存共享。通過打開同一個文件按，mmap可以實現無關進程之間的內存共享。Linux提供了另外一種利用mmap在無關進程之間共享內存的方式。這種方式無需任何文件的支持，但它需要先使用如下函數創建或打開一個POSIX可移植操作系統接口（Portable Operating System Interface of UNIX，縮寫為POSIX）共享內存對象：

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int shm_open(const char* name, int oflag, mode_t mode);

shm_open的使用方法與open系統調用完全相同。

name參數指定要創建/打開的內存。從可移植性的角度考慮，該參數應該使用“/somename”的格式：

以“/”開始，后接多個字符，且這些字符都不是“/”；

以“"結尾，長度不超過NAME_MAX（通常是255）

oflag參數指定創建方式。它可以是下列標志中的一個或者多個按位或：

• O_RDONLY：以只讀方式打開共享內存對象
• O_RDWR：以可讀、可寫方式打開內存共享對象
• O_CREAT：如果共享內存對象不存在，則創建之。此時mode參數的最低9位將指定該共享內存對象的訪問權限。共享內存對象被創建的時候，其初始長度為0。
• O_EXCL：和O_CREAT一起使用，如果由name指定的共享內存已經存在，則shm_open調用返回錯誤，否則就創建一個新的共享內存對象
• O_TRUNC：如果共享內存已經存在，則把它截斷，使其長度為0

shm_open調用成功時返回一個文件描述符。該文件描述符可用于后續的mmap調用，從而將共享內存關聯到調用進程。shm_open失敗時返回-1，并設置errno。

和打開的文件最后需要關閉一樣，由shm_open創建的共享內存對象使用完之后也需要被刪除。這個通過如下函數實現：

#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int shm_unlink(const char* name);

該函數將name參數指定的共享內存對象標記為等待刪除。當所有使用該共享內存對象的進程都使用ummap將它從進程中分離之后，系統將銷毀這個共享內存對象所占據的資源。

如果代碼中使用了上述POSIX共享內存函數，則編譯的時候需要指定鏈接選項-ltr。

共享內存實例

在I/O復用高級應用中我們介紹過過一個聊天室程序。下面我們將它修改為一個多進程服務器：一個子進程處理一個客戶連接。同時，我們將所有客戶socket連接的讀緩沖設計為一塊共享內存：

#include <sys/socket.h>
#include <.NETinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>

#define USER_LIMIT 5
#define BUFFER_SIZE 1024
#define FD_LIMIT 65535
#define MAX_EVENT_NUMBER 1024
#define PROCESS_LIMIT 65536

/*處理一個客戶連接必要的數據*/
struct client_data
{
    sockaddr_in address ; /*客戶端socket地址*/
    int connfd;           /*socket文件描述符*/
    pid_t pid;            /*處理這個連接的子進程PID*/
    int pipefd[2];        /*和父進程通信用的管道*/
};

static const char* shm_name = "/my_shm";
int sig_pipefd[2];
int epollfd;
int listenfd;
int shmfd;

char * share_mem = 0;
/*客戶連接數組。進程使用客戶連接的編號來索引這個數據，及可取得相關的客戶連接數據*/
client_data* users = 0;
/*子進程與客戶連接的映射關系，用進程PID來索引這個數組。即可取得該進程所處理的客戶鏈接的編號*/
int* sub_porcess = 0;
/*當前客戶數量*/
int user_count = 0;
bool stop_child = false;


int setnonblocking(int fd)
{
    int old_option = fcntl(fd, F_GETFL);
    int new_option = old_option | O_NONBLOCK;
    fcntl(fd, F_SETFL, new_option);
    return old_option;
}

void addfd(int epollfd, int fd)
{
    epoll_event event;
    event.data.fd = fd;
    event.events = EPOLLIN | EPOLLET;
    epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event);
    setnonblocking(fd);
}

void sig_handler(int sig)
{
    int save_errno = errno;
    int msg = sig;
    send(sig_pipefd[1], (char*)&msg, 1, 0);
    errno = save_errno;
}

void addsig(int sig, void(*handler)(int), bool restart = true)
{
    struct sigaction sa;
    memset(&sa, '', sizeof(sa));
    sa.sa_handler = handler;
    if(restart){
        sa.sa_flags |= SA_RESTART;
    }
    sigfillset(&sa.sa_mask);
    assert(sigaction(sig, &sa, NULL) != -1);
}

void del_resource()
{
    close(sig_pipefd[0]);
    close(sig_pipefd[1]);
    close(listenfd);
    close(epollfd);
    shm_unlink(shm_name);
    delete [] users;
    delete [] sub_porcess;
}

/*停止一個子進程*/
void child_term_handler(int sig)
{
    stop_child = true;
}

/*子進程運行的函數，
參數idx指出該子進程處理客戶鏈接的編號
users是保存連接數據的數組
參數share_mem指出共享內存的其實地址*/

int  run_child(int idx, client_data* users, char* share_mem)
{
    epoll_event events[MAX_EVENT_NUMBER];
    /*子進程使用I/O復用技術來同時監聽兩個文件描述副：
    客戶連接socket、
    與父進程通信的管道文件描述符*/
    int child_epollfd = epoll_create(5);
    assert(child_epollfd != -1);
    int connfd = users[idx].connfd;
    addfd(child_epollfd, connfd);
    int pipefd = users[idx].pipefd[1];
    addfd(child_epollfd, pipefd);
    int ret = 0;

    /*子進程需要設置自己的信號處理函數*/
    addsig(SIGTERM, child_term_handler, false);

    while (!stop_child){
        int number = epoll_wait(child_epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1);
        if(number < 0 && errno != EINTR){
            printf("epoll failuren");
            break;
        }

        for(int i = 0; i < number; ++i)
        {
            int sockfd = events[i].data.fd;
            /*本子進程負責的客戶連接有數據到達*/
            if(sockfd == connfd && events[i].events & EPOLLIN){
                memset(share_mem + idx* BUFFER_SIZE, '', BUFFER_SIZE);
                /*將客戶數據讀取到對應的讀緩存中。
                讀緩存是共享內存的一段，它開始去idx*BUffER_SIZE處，長度為BUFFER_SIZE
                每個客戶連接的讀緩存是共享的*/
                ret = recv(connfd, share_mem + idx*BUFFER_SIZE, BUFFER_SIZE-1, 0);
                if(ret < 0){
                    if(errno != EAGAIN){
                        stop_child = true;
                    }
                }
                else if(ret == 0){
                    stop_child = true;
                }
                else{
                    /*成功讀取客戶端數據后就通知主進程（通過管道）來處理*/
                    send(pipefd, (char*)&idx, sizeof(idx), 0);
                }
            }
            /*主進程通知本進程（通過管道）將第client個客戶的數據發送到本進程負責的客戶端*/
            else if(sockfd == pipefd && events[i].events & EPOLLIN){
                int client = 0;
                /*接受主進程發送過來的數據，即有客戶端數據到達的連接編號*/
                ret = recv(sockfd, (char*)&client, sizeof(client), 0);
                if(ret < 0){
                    if(errno != EAGAIN){
                        stop_child = true;
                    }
                }
                else if(ret = 0){
                    stop_child = true;
                }
                else{
                    send(connfd, share_mem + client*BUFFER_SIZE, BUFFER_SIZE, 0);
                }
            }
            else{
                continue;
            }
        }
    }

    close(connfd);
    close(pipefd);
    close(child_epollfd);
    return 0;
}

int main(int argc, char const *argv[])
{
    if(argc <= 2){
        printf("usage: %s ip_address port_numbern", basename(argv[0]));
        return 1;
    }

    const char* ip = argv[1];
    int port = atoi(argv[2]);

    int ret = 0;
    struct sockaddr_in address;
    bzero(&address, sizeof(address));
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr);
    address.sin_port = htons(port);

    listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    assert(listenfd >= 0);

    ret = bind(listenfd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address));
    assert(ret != -1);

    ret = listen(listenfd, 5);
    assert(ret != -1);

    user_count = 0;
    users = new client_data[USER_LIMIT+1];
    sub_porcess = new int[PROCESS_LIMIT];
    for(int i = 0; i < PROCESS_LIMIT; ++i){
        sub_porcess[i] = -1;
    }

    epoll_event events[MAX_EVENT_NUMBER];
    epollfd = epoll_create(5);
    assert(epollfd != -1);
    addfd(epollfd, listenfd);

    ret = socketpair(PF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, sig_pipefd);
    assert(ret != -1);
    setnonblocking(sig_pipefd[1]);
    addfd(epollfd, sig_pipefd[0]);

    addsig(SIGCHLD, sig_handler);
    addsig(SIGTERM, sig_handler);
    addsig(SIGINT, sig_handler);
    addsig(SIGPIPE, SIG_IGN);

    bool stop_server = false;
    bool terminiate = false;

    /*創建共享內存，作為所有客戶socket鏈接的讀緩存*/
    shmfd = shm_open(shm_name, O_CREAT| O_RDWR, 0666);
    assert(shmfd != -1);
    ret = ftruncate(shmfd, USER_LIMIT* BUFFER_SIZE);
    assert(ret != -1);

    share_mem = (char*)mmap(NULL, USER_LIMIT*BUFFER_SIZE, PROT_READ|
                    PROT_WRITE, MAP_SHARED, shmfd, 0);
    assert(share_mem != MAP_FAILED);
    close(shmfd);

    while(!stop_server){
        int number = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1);
        if(number < 0 && errno != EINTR){
            printf("epoll failuren");
            break;
        }

        for(int i=0; i < number; ++i){
            int sockfd = events[i].data.fd;
            /*新的客戶連接*/
            if(sockfd == listenfd){
                struct sockaddr_in client_address;
                socklen_t client_addrlength = sizeof(client_address);
                int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&client_address,
                    &client_addrlength);
                if(connfd < 0){
                    printf("errno is %dn", errno);
                    continue;
                }
                if(user_count >= USER_LIMIT){
                    const char *info = "too many usersn";
                    printf("%s", info);
                    send(connfd, info, strlen(info), 0);
                    close(connfd);
                    continue;
                }
                /*保存第user_count個客戶連接的相關數據*/
                users[user_count].address = client_address;
                users[user_count].connfd = connfd;
                /*在主進程和子進程間建立管道，以傳遞必要的數據*/
                ret = socketpair(PF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, users[user_count].pipefd);
                assert(ret != -1);
                pid_t pid = fork();
                if(pid < 0){
                    close(connfd);
                    continue;
                }
                else if (pid == 0){
                    close(epollfd);
                    close(listenfd);
                    close(users[user_count].pipefd[0]);
                    close(sig_pipefd[0]);
                    close(sig_pipefd[1]);

                    run_child(user_count, users, share_mem);
                    munmap((void*)share_mem, USER_LIMIT* BUFFER_SIZE);
                    exit(0);
                }
                else{
                    close(connfd);
                    close(users[user_count].pipefd[1]);
                    addfd(epollfd, users[user_count].pipefd[0]);
                    users[user_count].pid = pid;
                    
                    /*記錄新的客戶連接在數組users中的索引值，
                    建立進程pid和該索引值之間的映射關系*/
                    sub_porcess[pid] = user_count;
                    user_count++;
                }
            }
            /*處理信號事件*/
            else if(sockfd == sig_pipefd[0] && events[i].events & EPOLLIN){
                int sig;
                char signals[1024];
                ret = recv(sig_pipefd[0], signals, sizeof(signals), 0);
                if(ret == -1){
                    continue;
                }
                else if(ret == 0){
                    continue;
                }
                else{
                    for(int i = 0; i < ret; ++i){
                        switch (signals[i])
                        {
                        case SIGCHLD:{
                            /*子進程退出，表示有某個客戶端關閉了連接*/
                            pid_t pid;
                            int stat;
                            while((pid = waitpid(-1, &stat, WNOHANG)) > 0){
                                int del_user = sub_porcess[pid];
                                sub_porcess[pid] =  -1;
                                if(del_user < 0 || del_user > USER_LIMIT){
                                    continue;
                                }
                                epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, 
                                    users[del_user].pipefd[0],0);
                                close(users[del_user].pipefd[0]);
                                users[del_user] = users[--user_count];
                                sub_porcess[users[del_user].pid] = del_user;
                            }
                            if(terminiate && user_count == 0){
                                stop_server = true;
                            }
                            break;
                        }
                        case SIGTERM:
                        case SIGINT:{
                            /*結束服務程序*/
                            printf("kill all the child nown");
                            if(user_count == 0){
                                stop_server = true;
                                break;
                            }
                            for(int i = 0; i < user_count; ++i){
                                int pid = users[i].pid;
                                kill(pid, SIGTERM);
                            }
                            terminiate = true;
                            break;
                        }
                        default:
                            break;
                        }
                    }
                }
            }
            /*某個紫禁城向父進程寫入了數據*/
            else if(events[i].events &EPOLLIN){
                int child = 0;
                ret = recv(sockfd, (char*)&child, sizeof(child),0);
                printf("read data from child process accross pipen");
                if(ret == -1){
                    continue;
                } 
                else if(ret == 0){
                    continue;
                }
                else{
                    /*向除負責處理第child和客戶鏈接的子進程之外的其他子進程發送消息，
                    通知有客戶要寫*/
                    for(int j = 0; j < user_count; ++j){
                        if(users[j].pipefd[0] != sockfd){
                            printf("send data to child accross pipen");
                            send(users[j].pipefd[0], (char*)&child, sizeof(child), 0);
                        }
                    }
                }
            }
        }
    }

    del_resource();
    return 0;
}