一、共享內存是什么

在Linux系統中，共享內存是一種IPC（進程間通信）方式，它可以讓多個進程在物理內存中共享一段內存區域。

這種共享內存區域被映射到多個進程的虛擬地址空間中，使得多個進程可以直接訪問同一段物理內存區域中的數據，從而實現進程間的高速數據交換和通信。

二、共享內存的原理

共享內存基于內核的支持。在共享內存中，內核維護了一塊物理內存區域，并將其映射到多個進程的虛擬地址空間中。每個進程都可以使用指針來訪問共享內存區域中的數據，就像它們訪問自己的內存一樣。

三、共享內存的使用方法

相關函數介紹

shmget函數

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

用于創建或打開一個共享內存區段，具體參數如下：

函數返回值為共享內存區段的標識符 shmid，用于標識已創建或已打開的共享內存區段。

shmat函數

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

用于將共享內存區段連接到當前進程的地址空間，具體參數如下：

函數返回值為共享內存區段連接到當前進程地址空間的起始地址，即指向共享內存區段的指針。

shmdt函數

int shmdt(const void *shmaddr);

用于斷開進程與共享內存區段的連接，具體參數如下：

函數返回值為 0 表示成功，-1 表示失敗。

shmctl函數

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

用于控制共享內存區段的行為，如刪除、獲取、設置共享內存區段的屬性等，具體參數如下：

常用的cmd參數包括：

• IPC_STAT：獲取共享內存的狀態信息，并將該信息存儲在buf參數指向的結構體中。
• IPC_SET：設置共享內存的狀態信息，buf參數指向要設置的新值。
• IPC_RMID：刪除共享內存。

函數返回值為操作成功返回 0，失敗返回 -1。

實例演示

以下是一個示例代碼，其中一個程序用于寫入共享內存，另一個程序用于讀取共享內存。

寫入程序

/* write.c */

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

#define SHM_SIZE 1024

int main()
{
    int shmid;
    char *shmaddr;
    char write_buf[SHM_SIZE];

    // 創建共享內存段
    shmid = shmget((key_t)1234, SHM_SIZE, 0666|IPC_CREAT);
    if (shmid == -1) {
        perror("shmget failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 將共享內存段連接到當前進程
    shmaddr = (char*)shmat(shmid, 0, 0);
    if (shmaddr == (void*)-1) {
        perror("shmat failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 從標準輸入讀取數據并將其寫入共享內存
    while(1) {
        fgets(write_buf, SHM_SIZE, stdin);
        strncpy(shmaddr, write_buf, SHM_SIZE);
        if (strncmp(write_buf, "exit", 4) == 0) {
            break;
        }
    }

    // 斷開共享內存連接
    if (shmdt(shmaddr) == -1) {
        perror("shmdt failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 刪除共享內存段
    if (shmctl(shmid, IPC_RMID, 0) == -1) {
        perror("shmctl failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    printf("write exit\n");

    return 0;
}

讀取程序

/* read.c */

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

#define SHM_SIZE 1024

int main()
{
    int shmid;
    char *shmaddr;
    char read_buf[SHM_SIZE];

    // 獲取共享內存段
    shmid = shmget((key_t)1234, SHM_SIZE, 0666|IPC_CREAT);
    if (shmid == -1) {
        perror("shmget failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 將共享內存段連接到當前進程
    shmaddr = (char*)shmat(shmid, 0, 0);
    if (shmaddr == (void*)-1) {
        perror("shmat failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 從共享內存讀取數據并輸出到標準輸出
    while(1) {
        strncpy(read_buf, shmaddr, SHM_SIZE);
        printf("Received message: %s\n", read_buf);
        if (strncmp(read_buf, "exit", 4) == 0) {
            printf("Received exit\n");
            break;
        }
        sleep(1);
    }

    // 斷開共享內存連接
    if (shmdt(shmaddr) == -1) {
        perror("shmdt failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    printf("read exit\n");
    
    return 0;
}

• 編譯這兩個程序

gcc -o write write.c
gcc -o read read.c

在一個終端窗口中運行write, 輸入消息，在另一個終端窗口中運行read，查看消息。

要退出程序，則在運行write的終端窗口中鍵入"exit"，效果如下：

四、 共享內存的注意事項

• 使用共享內存需要注意以下幾點：

1. 同步問題：由于多個進程可以同時訪問共享內存，因此必須要使用同步機制來保證數據的一致性和正確性。
2. 內存泄漏：如果一個進程崩潰或者沒有及時解除共享內存映射，就有可能導致內存泄漏的問題。
3. 安全問題：共享內存是多個進程共享的，因此必須要注意數據的安全性和隱私性，避免敏感數據泄露。

五、 共享內存的使用技巧

• 以下是一些共享內存的使用技巧：

1. 分配內存時使用 shmget() 系統調用中的 IPC_PRIVATE 標記，可以確保共享內存的鍵值在系統中是唯一的，避免沖突和安全問題。
2. 在讀寫共享內存之前，使用信號量或互斥鎖等同步機制來保證數據的一致性和正確性。
3. 在使用共享內存時，可以將共享內存區域按照固定大小進行分塊，避免多個進程同時訪問同一塊內存區域的沖突。

小結

共享內存是一種高效、靈活、方便的進程間通信方式，可以用于在多個進程之間共享大量數據。

使用共享內存需要注意同步、安全和內存泄漏等問題，可以使用信號量、互斥鎖等同步機制來保證數據的正確性。

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