Linux进程间通信——共享内存

共享内存是Linux进程间通信（IPC）的一种重要机制，它允许多个进程直接访问同一块内存区域，从而实现高效的数据传输。由于共享内存不需要复制数据，因此其通信速度远快于管道、消息队列等其他IPC机制。接下来将详细介绍共享内存的使用方法，并给出示例代码。

共享内存的基本概念

共享内存是由操作系统提供的一块内存区域，多个进程可以映射（attach）到自己的地址空间中。这种方式使得各个进程可以共享数据，无需进行数据复制。在使用共享内存时，通常的步骤包括：

1. 创建共享内存段
2. 将共享内存映射到进程的地址空间
3. 在共享内存中读写数据
4. 解除映射
5. 删除共享内存段

代码示例

下面是一个简单的示例，演示了如何使用共享内存进行进程间通信。我们将使用POSIX共享内存函数。

生产者-消费者模型

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <semaphore.h>

#define SHM_SIZE 1024    // 共享内存大小
#define SHM_NAME "/my_shm"
#define SEM_NAME "/my_sem"

// 生产者进程
void producer() {
    int shm_fd;
    char *ptr;
    sem_t *sem;

    // 创建共享内存
    shm_fd = shm_open(SHM_NAME, O_CREAT | O_RDWR, 0666);
    ftruncate(shm_fd, SHM_SIZE);
    ptr = mmap(0, SHM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0);

    // 创建信号量
    sem = sem_open(SEM_NAME, O_CREAT, 0666, 1);

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        // 写入数据
        sem_wait(sem);  // P操作
        sprintf(ptr, "Message %d", i);
        printf("Produced: %s\n", ptr);
        sem_post(sem);  // V操作
        sleep(1);
    }

    // 清理
    munmap(ptr, SHM_SIZE);
    shm_unlink(SHM_NAME);
    sem_close(sem);
    sem_unlink(SEM_NAME);
}

// 消费者进程
void consumer() {
    int shm_fd;
    char *ptr;
    sem_t *sem;

    // 打开共享内存
    shm_fd = shm_open(SHM_NAME, O_RDONLY, 0666);
    ptr = mmap(0, SHM_SIZE, PROT_READ, MAP_SHARED, shm_fd, 0);

    // 打开信号量
    sem = sem_open(SEM_NAME, 0);

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        sem_wait(sem);  // P操作
        printf("Consumed: %s\n", ptr);
        sem_post(sem);  // V操作
        sleep(1);
    }

    // 清理
    munmap(ptr, SHM_SIZE);
    close(shm_fd);
    sem_close(sem);
}

int main() {
    if (fork() == 0) {
        consumer();  // 子进程执行消费者
    } else {
        producer();  // 父进程执行生产者
        wait(NULL);  // 等待子进程结束
    }
    return 0;
}

代码说明

1. 创建和打开共享内存：生产者使用shm_open函数创建共享内存，指定其名称和大小。消费者通过同样的函数打开共享内存。
2. 映射共享内存：使用mmap将共享内存映射到进程的地址空间。
3. 信号量的使用：为了避免竞争条件，采用POSIX信号量来控制对共享内存的访问。这样确保同一时刻只有一个进程可以读写数据。
4. 数据生产和消费：生产者将数据写入共享内存，消费者则从中读取数据。

结论

共享内存是一种高效的进程间通信机制，在需要快速数据交换的场景中特别有用。尽管其使用相对简单，但需注意数据一致性和进程同步问题。通过合适的同步机制，例如信号量，可以有效避免多个进程对共享内存的同时访问带来的问题。在实际应用中，共享内存常与其他IPC机制结合使用，以实现更复杂的通信需求。