linux 进程间通信 共享内存 shmat

系统调用mmap()通过映射一个普通文件实现共享内存。系统V则是通过映射特殊文件系统shm中的文件实现进程间的共享内存通信。也就是说，每个共享内存区域对应特殊文件系统shm中的一个文件（这是通过shmid_kernel结构联系起来的）

1、系统V共享内存原理

进程间需要共享的数据被放在一个叫做IPC共享内存区域的地方，所有需要访问该共享区域的进程都要把该共享区域映射到本进程的地址空间中去。系统V共享内存通过shmget获得或创建一个IPC共享内存区域，并返回相应的标识符。内核在保证shmget获得或创建一个共享内存区，初始化该共享内存区相应的shmid_kernel结构注同时，还将在特殊文件系统shm中，创建并打开一个同名文件，并在内存中建立起该文件的相应dentry及inode结构，新打开的文件不属于任何一个进程（任何进程都可以访问该共享内存区）。所有这一切都是系统调用shmget完成的。

在创建了一个共享内存区域后，还要将它映射到进程地址空间，系统调用shmat()完成此项功能。由于在调用shmget()时，已经创建了文件系统shm中的一个同名文件与共享内存区域相对应，因此，调用shmat()的过程相当于映射文件系统shm中的同名文件过程，原理与mmap()大同小异。

2、系统V共享内存API

对于系统V共享内存，主要有以下几个API：shmget()、shmat()、shmdt()及shmctl()。

1 2	#include <sys/ipc.h> #include <sys/shm.h>

shmget（）用来获得共享内存区域的ID，如果不存在指定的共享区域就创建相应的区域。shmat()把共享内存区域映射到调用进程的地址空间中去，这样，进程就可以方便地对共享区域进行访问操作。shmdt()调用用来解除进程对共享内存区域的映射。shmctl实现对共享内存区域的控制操作。这里我们不对这些系统调用作具体的介绍，读者可参考相应的手册页面，后面的范例中将给出它们的调用方法。

注：shmget的内部实现包含了许多重要的系统V共享内存机制；shmat在把共享内存区域映射到进程空间时，并不真正改变进程的页表。当进程第一次访问内存映射区域访问时，会因为没有物理页表的分配而导致一个缺页异常，然后内核再根据相应的存储管理机制为共享内存映射区域分配相应的页表。

shmctl
int shmctl(int shmid,int cmd,struct shmid_ds *buf)
shmid:共享存储段的id
cmd：一些命令

IPC_STAT 得到共享内存的状态
        IPC_SET 改变共享内存的状态
        IPC_RMID 删除共享内存 

IPC_RMID 命令实际上不从内核删除一个段，而是仅仅把这个段标记为删除，实际的删除发生在最后一个进程离开这个共享段时。 

请注意，共享内存不会随着程序结束而自动消除，要么调用shmctl删除，要么自己用手敲命令去删除，否则永远留在系统中。

3、系统V共享内存限制

在/proc/sys/kernel/目录下，记录着系统V共享内存的一下限制，如一个共享内存区的最大字节数shmmax，系统范围内最大共享内存区标识符数shmmni等，可以手工对其调整，但不推荐这样做

/***** testwrite.c *******/
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
typedef struct{
    char name[4];
    int age;
} people;
main(int argc, char** argv)
{
    int shm_id,i;
    key_t key;
    char temp;
    people *p_map;
    char* name = "/dev/shm/myshm2";
    key = ftok(name,0);
    if(key==-1)
        perror("ftok error");
    shm_id=shmget(key,4096,IPC_CREAT);  
    if(shm_id==-1)
    {
        perror("shmget error");
        return;
    }
    p_map=(people*)shmat(shm_id,NULL,0);
    temp='a';
    for(i = 0;i<10;i++)
    {
        temp+=1;
        memcpy((*(p_map+i)).name,&temp,1);
        (*(p_map+i)).age=20+i;
    }
    if(shmdt(p_map)==-1)
        perror(" detach error ");
}
/********** testread.c ************/
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
typedef struct{
    char name[4];
    int age;
} people;
main(int argc, char** argv)
{
    int shm_id,i;
    key_t key;
    people *p_map;
    char* name = "/dev/shm/myshm2";
    key = ftok(name,0);
    if(key == -1)
        perror("ftok error");
    shm_id = shmget(key,4096,IPC_CREAT);    
    if(shm_id == -1)
    {
        perror("shmget error");
        return;
    }
    p_map = (people*)shmat(shm_id,NULL,0);
    for(i = 0;i<10;i++)
    {
    printf( "name:%s
",(*(p_map+i)).name );
    printf( "age %d
",(*(p_map+i)).age );
    }
    if(shmdt(p_map) == -1)
        perror(" detach error ");
}

1、 系统V共享内存中的数据，从来不写入到实际磁盘文件中去；而通过mmap()映射普通文件实现的共享内存通信可以指定何时将数据写入磁盘文件中。 注：前面讲到，系统V共享内存机制实际是通过映射特殊文件系统shm中的文件实现的，文件系统shm的安装点在交换分区上，系统重新引导后，所有的内容都丢失。

2、 系统V共享内存是随内核持续的，即使所有访问共享内存的进程都已经正常终止，共享内存区仍然存在（除非显式删除共享内存），在内核重新引导之前，对该共享内存区域的任何改写操作都将一直保留。

3、 通过调用mmap()映射普通文件进行进程间通信时，一定要注意考虑进程何时终止对通信的影响。而通过系统V共享内存实现通信的进程则不然。 注：这里没有给出shmctl的使用范例，原理与消息队列大同小异

共享内存允许两个或多个进程共享一给定的存储区，因为数据不需要来回复制，所以是最快的一种进程间通信机制。共享内存可以通过mmap()映射普通文件（特殊情况下还可以采用匿名映射）机制实现，也可以通过系统V共享内存机制实现。应用接口和原理很简单，内部机制复杂。为了实现更安全通信，往往还与信号等同步机制共同使用

mmap shmat 区别:

总结mmap和shm:
1、mmap是在磁盘上建立一个文件，每个进程地址空间中开辟出一块空间进行映射。
而对于shm而言，shm每个进程最终会映射到同一块物理内存。shm保存在物理内存，这样读写的速度要比磁盘要快，但是存储量不是特别大。
2、相对于shm来说，mmap更加简单，调用更加方便，所以这也是大家都喜欢用的原因。
3、另外mmap有一个好处是当机器重启，因为mmap把文件保存在磁盘上，这个文件还保存了操作系统同步的映像，所以mmap不会丢失，但是shmget就会丢失。
4/mmap 映射成功就可以关闭 文件 fd

mmap和System V共享内存的主要区别在于：

• sysv shm是持久化的，除非被一个进程明确的删除，否则它始终存在于内存里，直到系统关机；
• mmap映射的内存在不是持久化的，如果进程关闭，映射随即失效，除非事先已经映射到了一个文件上。

• 内存映射机制mmap是POSIX标准的系统调用，有匿名映射和文件映射两种。

  • 匿名映射使用进程的虚拟内存空间，它和malloc(3)类似，实际上有些malloc实现会使用mmap匿名映射分配内存，不过匿名映射不是POSIX标准中规定的。
  • 文件映射有MAP_PRIVATE和MAP_SHARED两种。前者使用COW的方式，把文件映射到当前的进程空间，修改操作不会改动源文件。后者直接把文件映射到当前的进程空间，所有的修改会直接反应到文件的page cache，然后由内核自动同步到映射文件上。

  相比于IO函数调用，基于文件的mmap的一大优点是把文件映射到进程的地址空间，避免了数据从用户缓冲区到内核page cache缓冲区的复制过程；当然还有一个优点就是不需要频繁的read/write系统调用。

  由于接口易用，且可以方便的persist到文件，避免主机shutdown丢失数据的情况，所以在现代操作系统上一般偏向于使用mmap而不是传统的System V的共享内存机制。

  建议仅把mmap用于需要大量内存数据操作的场景，而不用于IPC。因为IPC总是在多个进程之间通信，而通信则涉及到同步问题，如果自己手工在mmap之上实现同步，容易滋生bug。推荐使用socket之类的机制做IPC，基于socket的通信机制相对健全很多，有很多成熟的机制和模式，比如epoll, reactor等。

　　由于shmat 共享内存是持久化的，所以有时为了防止进程down掉后，内存没有回收，一般会在create attach后就 IPC_RMID删除内存，当然所有的进程detattch 这块内存后， 内存才会被回收；参考nginx的共享内存实现方案：

ngx_int_t
ngx_shm_alloc(ngx_shm_t *shm)
{
    int  id;
 
    id = shmget(IPC_PRIVATE, shm->size, (SHM_R|SHM_W|IPC_CREAT));

    if (id == -1) {
        ngx_log_error(NGX_LOG_ALERT, shm->log, ngx_errno,
                      "shmget(%uz) failed", shm->size);
        return NGX_ERROR;
    }

    ngx_log_debug1(NGX_LOG_DEBUG_CORE, shm->log, 0, "shmget id: %d", id);

    shm->addr = shmat(id, NULL, 0);

    if (shm->addr == (void *) -1) {
        ngx_log_error(NGX_LOG_ALERT, shm->log, ngx_errno, "shmat() failed");
    }

    if (shmctl(id, IPC_RMID, NULL) == -1) {
        ngx_log_error(NGX_LOG_ALERT, shm->log, ngx_errno,
                      "shmctl(IPC_RMID) failed");
    }

    return (shm->addr == (void *) -1) ? NGX_ERROR : NGX_OK;
}


void
ngx_shm_free(ngx_shm_t *shm)
{
    if (shmdt(shm->addr) == -1) {
        ngx_log_error(NGX_LOG_ALERT, shm->log, ngx_errno,
                      "shmdt(%p) failed", shm->addr);
    }
}

可知 在 shmat attach到内存后主动 IPC_RMID 删除内存，等待进程dowm后者 shmdt后， 内存就会被回收

当然后有时候为了利用内存持久化，进程重启还有利用原有的数据继续快速恢复