共享內(nèi)存是進(jìn)程間通信中最簡(jiǎn)單的方式之一。共享內(nèi)存允許兩個(gè)或更多進(jìn)程訪問(wèn)同一塊內(nèi)存，就如同malloc()函數(shù)向不同進(jìn)程返回了指向同一個(gè)物理內(nèi)存區(qū)域的指針。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程改變了這塊地址中的內(nèi)容的時(shí)候，其它進(jìn)程都會(huì)察覺(jué)到這個(gè)更改。
本地通信
因?yàn)樗羞M(jìn)程共享同一塊內(nèi)存，共享內(nèi)存在各種進(jìn)程間通信方式中具有最高的效率。訪問(wèn)共享內(nèi)存區(qū)域和訪問(wèn)進(jìn)程獨(dú)有的內(nèi)存區(qū)域一樣快，并不需要通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用或者其它需要切入內(nèi)核的過(guò)程來(lái)完成。同時(shí)它也避免了對(duì)數(shù)據(jù)的各種不必要的復(fù)制。
因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)核沒(méi)有對(duì)訪問(wèn)共享內(nèi)存進(jìn)行同步，您必須提供自己的同步措施。例如，在數(shù)據(jù)被寫入之前不允許進(jìn)程從共享內(nèi)存中讀取信息、不允許兩個(gè)進(jìn)程同時(shí)向同一個(gè)共享內(nèi)存地址寫入數(shù)據(jù)等。解決這些問(wèn)題的常用方法是通過(guò)使用信號(hào)量進(jìn)行同步。不過(guò)，我們的程序中只有一個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)了共享內(nèi)存，因此在集中展示了共享內(nèi)存機(jī)制的同時(shí)，我們避免了讓代碼被同步邏輯搞得混亂不堪。
內(nèi)存模型
要使用一塊共享內(nèi)存，進(jìn)程必須首先分配它。隨后需要訪問(wèn)這個(gè)共享內(nèi)存塊的每一個(gè)進(jìn)程都必須將這個(gè)共享內(nèi)存綁定到自己的地址空間中。當(dāng)完成通信之后，所有進(jìn)程都將脫離共享內(nèi)存，并且由一個(gè)進(jìn)程釋放該共享內(nèi)存塊。
理解 linux 系統(tǒng)內(nèi)存模型可以有助于解釋這個(gè)綁定的過(guò)程。在 Linux 系統(tǒng)中，每個(gè)進(jìn)程的虛擬內(nèi)存是被分為許多頁(yè)面的。這些內(nèi)存頁(yè)面中包含了實(shí)際的數(shù)據(jù)。每個(gè)進(jìn)程都會(huì)維護(hù)一個(gè)從內(nèi)存地址到虛擬內(nèi)存頁(yè)面之間的映射關(guān)系。盡管每個(gè)進(jìn)程都有自己的內(nèi)存地址，不同的進(jìn)程可以同時(shí)將同一個(gè)內(nèi)存頁(yè)面映射到自己的地址空間中，從而達(dá)到共享內(nèi)存的目的。
分配一個(gè)新的共享內(nèi)存塊會(huì)創(chuàng)建新的內(nèi)存頁(yè)面。因?yàn)樗羞M(jìn)程都希望共享對(duì)同一塊內(nèi)存的訪問(wèn)，只應(yīng)由一個(gè)進(jìn)程創(chuàng)建一塊新的共享內(nèi)存。再次分配一塊已經(jīng)存在的內(nèi)存塊不會(huì)創(chuàng)建新的頁(yè)面，而只是會(huì)返回一個(gè)標(biāo)識(shí)該內(nèi)存塊的標(biāo)識(shí)符。一個(gè)進(jìn)程如需使用這個(gè)共享內(nèi)存塊，則首先需要將它綁定到自己的地址空間中。這樣會(huì)創(chuàng)建一個(gè)從進(jìn)程本身虛擬地址到共享頁(yè)面的映射關(guān)系。當(dāng)對(duì)共享內(nèi)存的使用結(jié)束之后，這個(gè)映射關(guān)系將被刪除。當(dāng)再也沒(méi)有進(jìn)程需要使用這個(gè)共享內(nèi)存塊的時(shí)候，必須有一個(gè)（且只能是一個(gè)）進(jìn)程負(fù)責(zé)釋放這個(gè)被共享的內(nèi)存頁(yè)面。
所有共享內(nèi)存塊的大小都必須是系統(tǒng)頁(yè)面大小的整數(shù)倍。系統(tǒng)頁(yè)面大小指的是系統(tǒng)中單個(gè)內(nèi)存頁(yè)面包含的字節(jié)數(shù)。在 Linux 系統(tǒng)中，內(nèi)存頁(yè)面大小是4KB，不過(guò)您仍然應(yīng)該通過(guò)調(diào)用 getpagesize 獲取這個(gè)值。
分配
進(jìn)程通過(guò)調(diào)用shmget（Shared Memory GET，獲取共享內(nèi)存）來(lái)分配一個(gè)共享內(nèi)存塊。
該函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)是一個(gè)用來(lái)標(biāo)識(shí)共享內(nèi)存塊的鍵值。彼此無(wú)關(guān)的進(jìn)程可以通過(guò)指定同一個(gè)鍵以獲取對(duì)同一個(gè)共享內(nèi)存塊的訪問(wèn)。不幸的是，其它程序也可能挑選了同樣的特定值作為自己分配共享內(nèi)存的鍵值，從而產(chǎn)生沖突。用特殊常量IPC_PRIVATE作為鍵值可以保證系統(tǒng)建立一個(gè)全新的共享內(nèi)存塊。
該函數(shù)的第二個(gè)參數(shù)指定了所申請(qǐng)的內(nèi)存塊的大小。因?yàn)檫@些內(nèi)存塊是以頁(yè)面為單位進(jìn)行分配的，實(shí)際分配的內(nèi)存塊大小將被擴(kuò)大到頁(yè)面大小的整數(shù)倍。
第三個(gè)參數(shù)是一組標(biāo)志，通過(guò)特定常量的按位或操作來(lái)shmget。這些特定常量包括：
IPC_CREAT：這個(gè)標(biāo)志表示應(yīng)創(chuàng)建一個(gè)新的共享內(nèi)存塊。通過(guò)指定這個(gè)標(biāo)志，我們可以創(chuàng)建一個(gè)具有指定鍵值的新共享內(nèi)存塊。
IPC_EXCL：這個(gè)標(biāo)志只能與 IPC_CREAT 同時(shí)使用。當(dāng)指定這個(gè)標(biāo)志的時(shí)候，如果已有一個(gè)具有這個(gè)鍵值的共享內(nèi)存塊存在，則shmget會(huì)調(diào)用失敗。也就是說(shuō)，這個(gè)標(biāo)志將使線程獲得一個(gè)“獨(dú)有”的共享內(nèi)存塊。如果沒(méi)有指定這個(gè)標(biāo)志而系統(tǒng)中存在一個(gè)具有相同鍵值的共享內(nèi)存塊，shmget會(huì)返回這個(gè)已經(jīng)建立的共享內(nèi)存塊，而不是重新創(chuàng)建一個(gè)。
模式標(biāo)志：這個(gè)值由9個(gè)位組成，分別表示屬主、屬組和其它用戶對(duì)該內(nèi)存塊的訪問(wèn)權(quán)限。其中表示執(zhí)行權(quán)限的位將被忽略。指明訪問(wèn)權(quán)限的一個(gè)簡(jiǎn)單辦法是利用<sys/stat.h>中指定，并且在手冊(cè)頁(yè)第二節(jié)stat條目中說(shuō)明了的常量指定。例如，S_IRUSR和S_IWUSR分別指定了該內(nèi)存塊屬主的讀寫權(quán)限，而 S_IROTH和S_IWOTH則指定了其它用戶的讀寫權(quán)限。 下面例子中shmget函數(shù)創(chuàng)建了一個(gè)新的共享內(nèi)存塊（當(dāng)shm_key已被占用時(shí)則獲取對(duì)一個(gè)已經(jīng)存在共享內(nèi)存塊的訪問(wèn)），且只有屬主對(duì)該內(nèi)存塊具有讀寫權(quán)限，其它用戶不可讀寫。
int segment_id = shmget (shm_key, getpagesize (), IPC_CREAT | S_IRUSR| S_IWUSR ); 如果調(diào)用成功，shmget將返回一個(gè)共享內(nèi)存標(biāo)識(shí)符。如果該共享內(nèi)存塊已經(jīng)存在，系統(tǒng)會(huì)檢查訪問(wèn)權(quán)限，同時(shí)會(huì)檢查該內(nèi)存塊是否被標(biāo)記為等待摧毀狀態(tài)。
綁定脫離
要讓一個(gè)進(jìn)程獲取對(duì)一塊共享內(nèi)存的訪問(wèn)，這個(gè)進(jìn)程必須先調(diào)用 shmat（SHared Memory Attach，綁定到共享內(nèi)存）。將 shmget 返回的共享內(nèi)存標(biāo)識(shí)符 SHMID 傳遞給這個(gè)函數(shù)作為第一個(gè)參數(shù)。該函數(shù)的第二個(gè)參數(shù)是一個(gè)指針，指向您希望用于映射該共享內(nèi)存塊的進(jìn)程內(nèi)存地址；如果您指定NULL則Linux會(huì)自動(dòng)選擇一個(gè)合適的地址用于映射。第三個(gè)參數(shù)是一個(gè)標(biāo)志位，包含了以下選項(xiàng)：
SHM_RND表示第二個(gè)參數(shù)指定的地址應(yīng)被向下靠攏到內(nèi)存頁(yè)面大小的整數(shù)倍。如果您不指定這個(gè)標(biāo)志，您將不得不在調(diào)用shmat的時(shí)候手工將共享內(nèi)存塊的大小按頁(yè)面大小對(duì)齊。 SHM_RDONLY表示這個(gè)內(nèi)存塊將僅允許讀取操作而禁止寫入。 如果這個(gè)函數(shù)調(diào)用成功則會(huì)返回綁定的共享內(nèi)存塊對(duì)應(yīng)的地址。通過(guò) fork 函數(shù)創(chuàng)建的子進(jìn)程同時(shí)繼承這些共享內(nèi)存塊；如果需要，它們可以主動(dòng)脫離這些共享內(nèi)存塊。 當(dāng)一個(gè)進(jìn)程不再使用一個(gè)共享內(nèi)存塊的時(shí)候應(yīng)通過(guò)調(diào)用 shmdt（Shared Memory Detach，脫離共享內(nèi)存塊）函數(shù)與該共享內(nèi)存塊脫離。將由 shmat 函數(shù)返回的地址傳遞給這個(gè)函數(shù)。如果當(dāng)釋放這個(gè)內(nèi)存塊的進(jìn)程是最后一個(gè)使用該內(nèi)存塊的進(jìn)程，則這個(gè)內(nèi)存塊將被刪除。對(duì) exit 或任何exec族函數(shù)的調(diào)用都會(huì)自動(dòng)使進(jìn)程脫離共享內(nèi)存塊。
控制釋放
調(diào)用 shmctl（"Shared Memory Control"，控制共享內(nèi)存）函數(shù)會(huì)返回一個(gè)共享內(nèi)存塊的相關(guān)信息。同時(shí) shmctl 允許程序修改這些信息。該函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)是一個(gè)共享內(nèi)存塊標(biāo)識(shí)。
要獲取一個(gè)共享內(nèi)存塊的相關(guān)信息，則為該函數(shù)傳遞 IPC_STAT 作為第二個(gè)參數(shù)，同時(shí)傳遞一個(gè)指向一個(gè) struct shmid_ds 對(duì)象的指針作為第三個(gè)參數(shù)。
要?jiǎng)h除一個(gè)共享內(nèi)存塊，則應(yīng)將 IPC_RMID 作為第二個(gè)參數(shù)，而將 NULL 作為第三個(gè)參數(shù)。當(dāng)最后一個(gè)綁定該共享內(nèi)存塊的進(jìn)程與其脫離時(shí)，該共享內(nèi)存塊將被刪除。
您應(yīng)當(dāng)在結(jié)束使用每個(gè)共享內(nèi)存塊的時(shí)候都使用 shmctl 進(jìn)行釋放，以防止超過(guò)系統(tǒng)所允許的共享內(nèi)存塊的總數(shù)限制。調(diào)用 exit 和 exec 會(huì)使進(jìn)程脫離共享內(nèi)存塊，但不會(huì)刪除這個(gè)內(nèi)存塊。 要查看其它有關(guān)共享內(nèi)存塊的操作的描述，請(qǐng)參考shmctl函數(shù)的手冊(cè)頁(yè)。
優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)
共享內(nèi)存塊提供了在任意數(shù)量的進(jìn)程之間進(jìn)行高效雙向通信的機(jī)制。每個(gè)使用者都可以讀取寫入數(shù)據(jù)，但是所有程序之間必須達(dá)成并遵守一定的協(xié)議，以防止諸如在讀取信息之前覆寫內(nèi)存空間等競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)的出現(xiàn)。不幸的是，Linux無(wú)法嚴(yán)格保證提供對(duì)共享內(nèi)存塊的獨(dú)占訪問(wèn)，甚至是在您通過(guò)使用IPC_PRIVATE創(chuàng)建新的共享內(nèi)存塊的時(shí)候也不能保證訪問(wèn)的獨(dú)占性。 同時(shí)，多個(gè)使用共享內(nèi)存塊的進(jìn)程之間必須協(xié)調(diào)使用同一個(gè)鍵值。
