Linux下共享内存实现进程间通信-猿码集

1. 介绍

在Linux操作系统上，进程间通信（IPC）是必不可少的。共享内存是一种高效的IPC机制，可以在多个进程之间共享数据，提高系统性能。本文将介绍在Linux下如何使用共享内存进行进程间通信。

2. 共享内存的概念

共享内存是指多个进程共同使用一块内存区域的机制。这个内存区域被全部进程共享，进程可以直接访问它，而不需要通过进程间的消息传递机制。共享内存适合于需要频繁交换数据的进程间通信场景，因为它没有消息传递的开销，可以提高系统的性能。

2.1 创建共享内存

在Linux系统中，创建共享内存需要使用以下步骤：


#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int main() {
    key_t key = ftok("shmfile",65);  // 用于生成共享内存的唯一标识符
    int shmid = shmget(key, 1024, 0666|IPC_CREAT);  // 创建共享内存以及获取共享内存标识符
    return 0;
}

在上述代码中，首先调用ftok函数生成一个唯一的key值，该key值将作为共享内存的唯一标识符。然后调用shmget函数创建共享内存，参数key是唯一标识符，参数1024表示共享内存的大小，最后一个参数0666|IPC_CREAT表示创建一个新的共享内存段。

2.2 连接共享内存

共享内存创建之后，各个进程需要将自己的地址空间连接到共享内存中，以便能够访问其中的数据。连接共享内存需要使用以下步骤：


int main() {
    int shmid = shmget(key, 1024, 0666|IPC_CREAT);
    char *shm = (char*) shmat(shmid,(void*)0,0);  // 连接共享内存
    return 0;
}

在上述代码中，调用shmat函数将共享内存连接到当前进程的地址空间中，返回一个指向共享内存的指针。参数shmid是共享内存的标识符，第二个参数是连接的起始地址，如果为0，则表示由系统自动分配地址。最后一个参数为0，表示连接方式为读写模式。

2.3 访问共享内存

连接共享内存之后，进程可以通过指针对共享内存进行读写操作：


int main() {
    int shmid = shmget(key, 1024, 0666|IPC_CREAT);
    char *shm = (char*) shmat(shmid,(void*)0,0);  // 连接共享内存
    strcpy(shm, "Hello");  // 向共享内存写入数据
    printf("Data written in shared memory: %s\n",shm);
    shmdt(shm);  // 断开共享内存连接
    shmctl(shmid,IPC_RMID,NULL);  // 删除共享内存
    return 0;
}

在上述代码中，首先调用strcpy函数向共享内存写入数据，然后通过printf输出共享内存中的数据。最后，通过shmdt函数断开共享内存的连接，shmctl函数删除共享内存段。

3. 进程间通信示例

下面以一个生产者-消费者的示例来演示进程间如何使用共享内存进行通信。

3.1 创建共享内存


#define BUFFER_SIZE 10
typedef struct {
    int count;
    int front;
    int rear;
    int buffer[BUFFER_SIZE];
} shared_data;
int main() {
    key_t key = ftok("shmfile",65);
    int shmid = shmget(key, sizeof(shared_data), 0666|IPC_CREAT);
    shared_data *shm = (shared_data*) shmat(shmid,(void*)0,0);
    ...
    return 0;
}

在上述代码中，定义了一个共享的数据结构shared_data，其中包含了一个循环队列buffer和相关的元数据。然后调用shmget函数创建共享内存，大小为shared_data结构的大小。再通过shmat函数连接共享内存。

3.2 生产者进程


void produce(shared_data *shm) {
    ...
    while (1) {
        ...
        while ((shm->count) == BUFFER_SIZE);  // 等待缓冲区不满
        ...
        // 向缓冲区中添加数据
        printf("Producing item %d\n", item);
        shm->buffer[shm->rear] = item;
        (shm->rear) = ((shm->rear) + 1) % BUFFER_SIZE;
        (shm->count)++;
        ...
    }
}

生产者进程通过循环一直生产数据，当缓冲区不满时，向缓冲区中添加数据。这里需要注意一点，shm->count、shm->front和shm->rear是共享内存中的元数据，需要通过原子操作来保证它们的正确性。

3.3 消费者进程


void consume(shared_data *shm) {
    ...
    while (1) {
        ...
        while ((shm->count) == 0);  // 等待缓冲区不空
        ...
        // 从缓冲区中取出数据
        item = shm->buffer[shm->front];
        printf("Consuming item %d\n", item);
        (shm->front) = ((shm->front) + 1) % BUFFER_SIZE;
        (shm->count)--;
        ...
    }
}

消费者进程通过循环一直消费数据，当缓冲区不空时，从缓冲区中取出数据。同样地，也需要通过原子操作来保证共享内存中元数据的正确性。

4. 总结

共享内存是Linux系统中一种高效的进程间通信机制，可以在多个进程之间共享数据。本文介绍了如何在Linux下使用共享内存进行进程间通信。通过示例展示了创建共享内存、连接共享内存以及访问共享内存的过程。此外，还以生产者-消费者示例演示了如何使用共享内存实现进程间通信。共享内存是一种强大的工具，可以在一些对性能要求较高的场景中发挥重要作用，但同时也需要小心使用，保证数据的一致性和安全性。

Linux下共享内存实现进程间通信