进程间通信——System V IPC与共享内存

　　什么是System V IPC？

　　System V是一种Unix操作系统，此系统引入了三种高级进程间的通信机制：消息队列，共享内存，信号量。System V IPC是以下三种IPC的合称：

　　System V 消息队列     System V 信号量      System V 共享内存

　　消息队列、信号量、共享内存也称为IPC对象。通过ipcs可以查看当前的IPC对象，通过ipcrm可以删除IPC对象。

  ipcs -q: 只显示消息队列。
  ipcs -s: 只显示信号量。
  ipcs -m: 只显示共享内存。
  ipcs –help: 其他的参数

　　IPC对象存在于内核中而不是文件系统中，由用户控制释放，不像管道的释放由内核控制

       IPC对象通过其标识符来引用和访问，所有IPC对象在内核空间有唯一性标志ID，在用户空间的唯一性标识符称为key

　　IPC对象函数创建

　　Unix系统中，一切皆文件，很多IPC机制中的操作都是针对文件描述符的，但system V是针对IPC对象的ID操作的，而ID（标识符）是由key（键）生成的。

　　 在IPC的通信模式下，不管是使用消息队列还是共享内存，甚至是信号量，每个IPC的对象(object)都有唯一的名字，称为“键”(key)。通过“键”，进程能够识别所用的对象。“键”与IPC对象的关系 　　就如同文件名称之于文件，通过文件名，进程能够读写文件内的数据，甚至多个进程能够共用一个文件。而在IPC的通讯模式下，通过“键”的使用也使得一个IPC对象能为多个进程所共用。

　　ftok() ---> key ------>  ID

　　接下来看一下ftok函数：

　　ftok()函数

#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>

key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
//pathname为文件路径名，必须存在且可访问，常为当前路径名“.”
//proj_id 子ID，用于生成key的数字，范围1-255

　　System V IPC详见：https://blog.csdn.net/qq_38211852/article/details/80475818

共享内存

　　共享内存允许不同的进程访问同一个逻辑内存，对内存直接读写，而不需要任何数据的拷贝，对于消息队列、管道等通信方式，需要在内核空间进行四次数据拷贝，而高兴内存只需要拷贝两次，一次输入文件到共享内存区，另一次从共享内存区到输出文件。。

　　共享内存在内核空间创建，可以被映射到用户空间访问，使用灵活。（映射即建立关联：如在内核中一块内存地址为1，通过映射到用户空间后为a，之后在用户空间访问a即访问内核空间1一样。）

　　共享内存并未提供同步机制，所以需要用其他机制实现不同进程对共享内存的访问。

　   共享内存使用步骤

创建/打开共享内存
映射共享内存，即把指定的共享内存映射到进程地址空间用于访问
读写共享内存
撤销共享内存映射
删除共享内存对象

　　1、共享内存创建—shmget

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

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

//成功返回共享内存的ID，失败返回EOF
//参数：
//key---可由fotk生成，为共享内存段命令，函数返回与key相关标识符
//size---以字节为单位指定需要的共享内存容量
//shmflg---权限标志，如：IPC_CREAT|0666

详解：

//key_t key
-----------------------------------------------
    key标识共享内存的键值: 0/IPC_PRIVATE。 当key的取值为IPC_PRIVATE，则函数shmget()将创建一块新的共享内存；如果key的取值为0，而参数shmflg中设置了IPC_PRIVATE这个标志，则同样将创建一块新的共享内存。

//int size(单位字节Byte)
-----------------------------------------------
    size是要建立共享内存的长度。所有的内存分配操作都是以页为单位的。所以如果一段进程只申请一块只有一个字节的内存，内存也会分配整整一页(在i386机器中一页的缺省大小PACE_SIZE=4096字节)这样，新创建的共享内存的大小实际上是从size这个参数调整而来的页面大小。即如果size为1至4096，则实际申请到的共享内存大小为4K(一页)；4097到8192，则实际申请到的共享内存大小为8K(两页)，依此类推。

//int shmflg
-----------------------------------------------
    shmflg主要和一些标志有关。其中有效的包括IPC_CREAT和IPC_EXCL，它们的功能与open()的O_CREAT和O_EXCL相当。
    IPC_CREAT   如果共享内存不存在，则创建一个共享内存，否则打开操作。
    IPC_EXCL     只有在共享内存不存在的时候，新的共享内存才建立，否则就产生错误。

    如果单独使用IPC_CREAT，shmget()函数要么返回一个已经存在的共享内存的操作符，要么返回一个新建的共享内存的标识符。

    如果将IPC_CREAT和IPC_EXCL标志一起使用，shmget()将返回一个新建的共享内存的标识符；如果该共享内存已存在，或者返回-1。

     IPC_EXEL标志本身并没有太大的意义，但是和IPC_CREAT标志一起使用可以用来保证所得的对象是新建的，而不是打开已有的对象。

推荐使用这个:
           可以使用0666|IPC_CREAT，来作为shmflg的值。

//返回值
-----------------------------------------------
成功返回共享内存的标识符；不成功返回-1，errno储存错误原因。
    EINVAL           参数size小于SHMMIN或大于SHMMAX。
    EEXIST           预建立key所致的共享内存，但已经存在。
    EIDRM            参数key所致的共享内存已经删除。
    ENOSPC        超过了系统允许建立的共享内存的最大值(SHMALL )。
    ENOENT        参数key所指的共享内存不存在，参数shmflg也未设IPC_CREAT位。
    EACCES        没有权限。
    ENOMEM       核心内存不足。

引用于：http://blog.csdn.net/lanmanck/archive/2010/12/22/6092995.aspx

示例1：创建一个私有的共享内存，大小为512字节，权限为0666

int shmid;

if((shmid = shmget(IPC_PRIVATE, 512, 0666)) < 0)
{
      perror("shmget");
      exit(-1);            
}

　　示例2：创建/打开一个和KEY关联的共享内存，大小为1024字节，权限为0666

key_t key;
int shmid;

if((key = ftok(".", 'm')) == -1)
{
     perror("ftok");
     exit(-1);
}
if((shmid = shmget(key, 1024, IPC_CREAT|0666)) < 0)
{
      perror("shmget");
      exit(-1);            
}

　　2、共享内存的映射—shmat

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

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

//成功返回映射后的地址，失败返回(void *)-1
//参数：
//shmid---要映射的共享内存ID
//shmaddr---映射后的地址，NULL表示由系统自动映射
//shmflg---标志位，0表可读写；SHM_RDONLY表只读

　　shmat--share memory attach，应用层无法直接访问内核内存，通过系统调用，将内核中的共享内存映射到用户空间。

　　3、写共享内存

　　通过指针访问共享内存，指针类型取决于共享内存中存放的数据类型

　　示例：在共享内存中存放键盘输入的字符串

char *addr;
int shmid;
...
if((addr = (char *)shmat(shmid, NULL, 0)) == (char *)-1)
{
      perror("shmat");
      exit(-1);  
}
fgets(addr, N, stdin);
...

　　4、共享内存撤销映射—shmdt

　　将共享内存从当前进程中分离，分离并不是删除，只是使该共享内存对当前进程不再可用。

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

int shmdt(const void *shmaddr);

//成功时返回0，失败时返回EOF
//参数：
//shmaddr---为shmat函数返回的地址指针
//不使用共享内存时应当撤销映射
//进程结束时会自动撤销

　　5、共享内存控制—shmctl

　　用于控制共享内存

#include <sys/ipc.h>
#incude  <sys/shm.h>

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

//成功返回0，失败返回EOF
//参数
//shmid---要操作的共享内存id
//cmd---要执行的操作  
//       IPC_STAT:用共享内存的当前关联值覆盖shmid_ds的值。
//       IPC_SET:如果进程有足够的权限，就把共享内存的当前关联值设置为shmid_ds结构中给出的值
//       IPC_REID:删除共享内存段

注意事项：

　　每块共享内存的大小有限制，可以通过下命令查看

　　ipcs -l

　　cat /proc/sys/kernel/shmmax

　　共享内存删除的时间点

　　shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);添加删除标记

　　当nattach变成0时才真正删除。

测试程序

通过shm_write 和shm_read这两个进程实现对共享内存的读写

shm_wirte.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

int main()
{
    key_t key;
    int shmid;
    char *addr; //定义映射后的地址
    key = ftok(".",23);
    if(key == -1)
    {
        perror("ftok");
        return -1;
    }
    shmid = shmget(key,1024,IPC_CREAT|0666); //创建共享内存
    if(shmid==-1)
    {
        perror("shmget");
        return -1;
    }
    
    addr = shmat(shmid,NULL,0); //映射共享内存

    strcpy(addr,"this is share memory"); //读写共享内存

    shmdt(addr); //撤销共享内存映射


}

shm_read.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>

int main()
{
    key_t key;
    int shmid;
    char *addr; //定义映射后的地址
    key = ftok(".",23);
    if(key == -1)
    {
        perror("ftok");
        return -1;
    }
    shmid = shmget(key,1024,IPC_CREAT|0666); //创建共享内存
    if(shmid==-1)
    {
        perror("shmget");
        return -1;
    }
    
    addr = shmat(shmid,NULL,0); //映射共享内存

//    strcpy(addr,"this is share memory"); //读写共享内存
    printf("get share memory = %s
",addr);
    shmdt(addr); //撤销共享内存映射


}

结果：

共享内存详解优秀博客：https://blog.csdn.net/Al_xin/article/details/38602093