linux共享内存实例

一、基础概念

定义
- 共享内存是一种进程间通信（IPC）机制。在Linux系统中，多个进程可以访问同一块物理内存区域，这块内存区域就是共享内存。它允许不同进程之间快速地交换数据，因为不需要像管道或消息队列那样进行数据的复制操作。

相关系统调用
- shmget：用于创建或获取一个共享内存段。它需要一个键值（key）、共享内存的大小以及访问权限等参数。
- shmat：将共享内存段附加到进程的地址空间。进程可以通过这个系统调用得到共享内存的地址，以便进行读写操作。
- shmdt：将共享内存段从进程的地址空间中分离。
- shmctl：用于对共享内存段进行控制操作，如删除共享内存段等。

二、优势

高效性
- 由于多个进程直接访问同一块物理内存，数据不需要在不同进程的地址空间之间进行复制，相比于管道等通信方式，在数据传输量较大时性能优势明显。

灵活性
- 可以方便地控制共享内存的大小、访问权限等属性。并且可以与其他IPC机制（如信号量）结合使用，以实现更复杂的同步操作。

三、类型

基于System V标准的共享内存
- 这是一种传统的共享内存实现方式，在Linux系统中广泛使用。它通过shmget等系统调用来创建和管理共享内存段。

POSIX共享内存
- 符合POSIX标准，提供了更简洁的接口。例如，在C语言中，可以使用shm_open、mmap等函数来操作POSIX共享内存。

四、应用场景

数据共享
- 在多进程的应用程序中，如果多个进程需要频繁地交换大量数据，例如图像处理软件中的多个进程协同处理一幅图像的不同部分，共享内存可以高效地实现数据共享。

缓存共享
- 当多个进程需要访问相同的数据缓存时，如数据库系统中的多个查询进程可能需要访问相同的数据索引缓存，共享内存可以避免数据的重复加载。

五、可能出现的问题及解决方法

同步问题
- 问题：多个进程同时读写共享内存可能会导致数据不一致。例如，一个进程正在写入数据，另一个进程同时读取可能会得到部分写入的数据。
- 解决方法：结合信号量等同步机制。例如，在C语言中，可以使用sem_wait和sem_post函数对共享内存的访问进行加锁和解锁操作。
- 示例代码（基于System V共享内存和信号量简单示例）：

#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/sem.h>
#include <stdio.h>

// 定义共享内存键值和大小
#define SHM_KEY 1234
#define SHM_SIZE 1024

// 定义信号量键值
#define SEM_KEY 5678

union semun {
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *array;
};

int main() {
    int shmid, semid;
    char *shmaddr;
    struct sembuf sem_op;

    // 创建共享内存段
    shmid = shmget(SHM_KEY, SHM_SIZE, IPC_CREAT | 0666);
    if (shmid < 0) {
        perror("shmget");
        return -1;
    }

    // 将共享内存附加到进程地址空间
    shmaddr = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);
    if (shmaddr == (char *)( - 1)) {
        perror("shmat");
        return -1;
    }

    // 创建信号量集
    semid = semget(SEM_KEY, 1, IPC_CREAT | 0666);
    if (semid < 0) {
        perror("semget");
        return -1;
    }

    union semun arg;
    arg.val = 1;
    if (semctl(semid, 0, SETVAL, arg)!= 0) {
        perror("semctl");
        return -1;
    }

    // 进程1写入数据示例（假设是写操作）
    sem_op.sem_num = 0;
    sem_op.sem_op=-1;
    sem_op.sem_flg = 0;
    if (semop(semid, &sem_op, 1)!= 0) {
        perror("semop write lock");
        return -1;
    }
    sprintf(shmaddr, "Hello from process 1");
    sem_op.sem_op = 1;
    if (semop(semid, &sem_op, 1)!= 0) {
        perror("semop write unlock");
        return -1;
    }


    // 进程2读取数据示例（假设是读操作）
    sem_op.sem_num = 0;
    sem_op.sem_op=-1;
    sem_op.sem_flg = 0;
    if (semop(semid, &sem_op, 1)!= 0) {
        perror("semop read lock");
        return -1;
    }
    printf("Read from shared memory: %s
", shmaddr);
    sem_op.sem_op = 1;
    if (semop(semid, &sem_op, 1)!= 0) {
        perror("semop read unlock");
        return -1;
    }


    // 分离共享内存
    if (shmdt(shmaddr)<0) {
        perror("shmdt");
        return -1;
    }


    return 0;
}

内存泄漏问题
- 问题：如果创建了共享内存段但没有正确地删除（例如进程异常退出而没有执行删除操作），可能会导致内存泄漏。
- 解决方法：在程序正常结束时，确保调用shmctl函数并传入IPC_RMID命令来删除共享内存段。同时，可以考虑设置合适的资源限制和监控机制，及时发现和处理异常情况。