共享記憶體

共享記憶體指 (shared memory)在多處理器的計算機系統中，可以被不同中央處理器（CPU）訪問的大容量記憶體。由於多個CPU需要快速訪問存儲器，這樣就要對存儲器進行快取（Cache）。任何一個快取的數據被更新後，由於其他處理器也可能要存取，共享記憶體就需要立即更新，否則不同的處理器可能用到不同的數據。共享記憶體是 Unix下的多進程之間的通信方法 ,這種方法通常用於一個程式的多進程間通信，實際上多個程式間也可以通過共享記憶體來傳遞信息。

基本介紹

• 中文名：共享記憶體
• 外文名：shared memory
• 內容：對存儲器進行快取
• 背景：多個CPU需要快速訪問存儲器

初始化

shmid_ds結構數據	初 值	shmid_ds結構數據	初 值
shm_lpid	0	shm_dtime	0
shm_nattach	0	shm_ctime	系統當前值
shm_atime	0	shm_segsz	參數 size

下面實例演示了使用shmget函式創建一塊共享記憶體。程式中在調用shmget函式時指定key參數值為IPC_PRIVATE，這個參數的意義是創建一個新的共享記憶體區，創建成功後使用shell命令ipcs來顯示系統下共享記憶體的狀態。命令參數-m為只顯示共享記憶體的狀態。

（1）在vi編輯器中編輯該程式如下：

程式清單14-8 create_shm.c 使用shmget函式創建共享記憶體

#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/shm.h>#include <stdlib.h>#include <stdio.h>#define BUFSZ 4096int main ( void ){int shm_id; /*共享記憶體標識符*/shm_id=shmget(IPC_PRIVATE, BUFSZ, 0666 ) ;//shm_id=shmget(999,BUFSZ,0666|O_CREAT);if (shm_id < 0 ) { /*創建共享記憶體*/perror( "shmget" ) ;exit ( 1 );}printf ( "successfully created segment : %d \n", shm_id ) ;system( "ipcs -m"); /*調用ipcs命令查看IPC*/exit( 0 );}

（2）在shell中編譯該程式如下：

$gcc create_shm.c -o create_shm

（3）在shell中運行該程式如下：

$./ create_shm

successfully created segment : 2752516

------ Shared Memory Segments --------

key shmid owner perms bytes nattch status

0x0000000 66root 600 393216 2 dest

0x00000 5209root 666 4096 0

0x0056a4d5 2686978 root 600 488 1

0x0056a4d6 2719747 root 600 131072 1

root 666 4096 0

上述程式中使用shmget函式來創建一段共享記憶體，並在結束前調用了系統shell命令ipcs –m來查看當前系統IPC狀態。

特點

所謂共享記憶體就是使得多個進程可以訪問同一塊記憶體空間，是最快的可用IPC形式。是針對其他通信機制運行效率較低而設計的。往往與其它通信機制，如信號量結合使用，來達到進程間的同步及互斥。其他進程能把同一段共享記憶體段“連線到”他們自己的地址空間裡去。所有進程都能訪問共享記憶體中的地址。如果一個進程向這段共享記憶體寫了數據，所做的改動會即時被有訪問同一段共享記憶體的其他進程看到。共享記憶體的使用大大降低了在大規模數據處理過程中記憶體的消耗，但是共享記憶體的使用中有很多的陷阱，一不注意就很容易導致程式崩潰。

注意事項

共享記憶體相比其他幾種方式有著更方便的數據控制能力，數據在讀寫過程中會更透明。當成功導入一塊共享記憶體後，它只是相當於一個字元串指針來指向一塊記憶體，在當前進程下用戶可以隨意的訪問。缺點是，數據寫入進程或數據讀出進程中，需要附加的數據結構控制。

如何創建

共享記憶體是存在於核心級別的一種資源，在shell中可以使用ipcs命令來查看當前系統IPC中的狀態，在檔案系統/proc目錄下有對其描述的相應檔案。函式shmget可以創建或打開一塊共享記憶體區。函式原型如下：

#include <sys/shm.h>

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

函式中參數key用來變換成一個標識符，而且每一個IPC對象與一個key相對應。當新建一個共享記憶體段時，size參數為要請求的記憶體長度（以位元組為單位）。

注意：核心是以頁為單位分配記憶體，當size參數的值不是系統記憶體頁長的整數倍時，系統會分配給進程最小的可以滿足size長的頁數，但是最後一頁的剩餘部分記憶體是不可用的。

當打開一個記憶體段時，參數size的值為0。參數flag中的相應許可權位初始化ipc_perm結構體中的mode域。同時參數flag是函式行為參數，它指定一些當函式遇到阻塞或其他情況時應做出的反應。shmid_ds結構初始化如表14-4所示。

參數詳解

cmd的值意 義

IPC_STAT：取shm_id所指向記憶體共享段的shmid_ds結構，對參數buf指向的結構賦值

IPC_SET：使用buf指向的結構對sh_mid段的相關結構賦值，只對以下幾個域有作用，shm_perm.

uid shm_perm.gid以及shm_perm.mode，注意此命令只有具備以下條件的進程才可以請求：

1．進程的用戶ID等於shm_perm.cuid或者等於shm_perm.uid

2．超級用戶特權進程

IPC_RMID：刪除shm_id所指向的共享記憶體段，只有當shmid_ds結構的shm_nattch域為零時，才會真正執行刪除命令，否則不會刪除該段，注意此命令的請求規則與IPC_SET命令相同

SHM_LOCK：鎖定共享記憶體段在記憶體，此命令只能由超級用戶請求

SHM_UNLOCK：對共享記憶體段解鎖，此命令只能由超級用戶請求

使用函式shmat將一個存在的共享記憶體段連線到本進程空間，其函式原型如下：

#include <sys/shm.h>void *shmat( int shm_id, const void *addr, int flag );

函式中參數shm_id指定要引入的共享記憶體，參數addr與flag組合說明要引入的地址值，通常只有2種用法，addr為0，表明讓核心來決定第1個可以引入的位置。addr非零，並且flag中指定SHM_RND，則此段引入到addr所指向的位置（此操作不推薦使用，因為不會只對一種硬體上運行應用程式，為了程式的通用性推薦使用第1種方法），在flag參數中可以指定要引入的方式（讀寫方式指定）。

%說明：函式成功執行返回值為實際引入的地址，失敗返回–1。shmat函式成功執行會將shm_id段的shmid_ds結構的shm_nattch計數器的值加1。

當對共享記憶體段操作結束時，應調用shmdt函式，作用是將指定的共享記憶體段從當前進程空間中脫離出去。函式原型如下：

#include <sys/shm.h>int shmdt( void *addr);

參數addr是調用shmat函式的返回值，函式執行成功返回0，並將該共享記憶體的shmid_ds結構的shm_nattch計數器減1，失敗返回–1。

下面實例演示了操作共享記憶體段的流程。程式的開始部分先檢測用戶是否有輸入，如出錯則列印該命令的使用幫助。接下來從命令行讀取將要引入的共享記憶體ID，使用shmat函式引入該共享記憶體，並在分離該記憶體之前睡眠3秒以方便查看系統IPC狀態。

（1）在vi編輯器中編輯該程式如下：

程式清單14-9 opr_shm.c 操作共享記憶體段

#include <sys/types.h>#include <sys/ipc.h>#include <sys/shm.h>#include <stdlib.h>#include <stdio.h>int main ( int argc, char *argv[] ){int shm_id ;char * shm_buf;if ( argc != 2 ){ /* 命令行參數錯誤 */printf ( "USAGE: atshm <identifier>" ); /*列印幫助訊息*/exit (1 );}shm_id = atoi(argv[1]); /*得到要引入的共享記憶體段*//*引入共享記憶體段，由核心選擇要引入的位置*/if ( (shm_buf = shmat( shm_id, 0, 0)) < (char *) 0 ){perror ( "shmat" );exit (1);}printf ( " segment attached at %p\n", shm_buf ); /*輸出導入的位置*/system("ipcs -m");sleep(3); /* 休眠 */if ( (shmdt(shm_buf)) < 0 ) { /*與導入的共享記憶體段分離*/perror ( "shmdt");exit(1);}printf ( "segment detached \n" );system ( "ipcs -m " ); /*再次查看系統IPC狀態*/exit ( 0 );}

（2）在shell中編譯該程式如下：

$gcc opr_shm.c -o opr_shm

（3）在shell中運行該程式如下：

$./ opr_shm 2752516

segment attached at 0xb7f29000

------ Shared Memory Segments --------

key shmid owner perms bytes nattch status

0x00 0root 600 393216 2 dest

0x00000root 666 4096 0

0x0056a4d5 2686978 root 600 488 1

0x0056a4d6 2719747 root 600 131072 1

0x00000root 666 4096 1

segment detached

------ Shared Memory Segments --------

key shmid owner perms bytes nattch status

0x000 00 65root 600 393216 2 dest

0x000209 root 666 4096 0

0x0056a4d5 2 686978 root 600 488 1

0x0056a4d6 27 19747 root 600 131072 1

0x000002516 root 666 4096 0

上述程式中從命令行中讀取所要引入的共享記憶體ID，並使用shmat函式引入該記憶體到當前的進程空間中。注意在使用shmat函式時，將參數addr的值設為0，所表達的意義是由核心來決定該共享記憶體在當前進程中的位置。由於在編程的過程中，很少會針對某一個特定的硬體或系統編程，所以由核心決定引入位置也就是shmat推薦的使用方式。在導入後使用shell命令ipcs –m來顯示當前的系統IPC的狀態，可以看出輸出信息中nattch欄位為該共享記憶體時的引用值，最後使用shmdt函式分離該共享記憶體並列印系統IPC的狀態。

結構示意

%說明：圖中兩個進程同時遵循一定的規則來讀寫該記憶體。同時，在多進程同步或互斥上也需要附加的代碼來輔助共享記憶體機制。

在共享記憶體段中都是以字元串的默認結束符為一條信息的結尾。每個進程在讀寫時都遵守這個規則，就不會破壞數據的完整性。

操作函式

由於共享記憶體這一特殊的資源類型，使它不同於普通的檔案，因此，系統需要為其提供專有的操作函式，而這無疑增加了程式設計師開發的難度（需要記憶額外的專有函式）。使用函式shmctl可以對共享記憶體段進行多種操作，其函式原型如下：

#include <sys/shm.h>

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

函式中參數shm_id為所要操作的共享記憶體段的標識符，struct shmid_ds型指針參數buf的作用與參數cmd的值相關，參數cmd指明了所要進行的操作，其解釋如表14-5所示。