共享内存是最高效的IPC机制，因为它不涉及进程之间的任何数据传输。这种高效率带来的问题是，我们必须用i其他辅助手段来同步进程对共享内存的访问，否则会产生竞态条件。因此，共享内存通常和其他进程间通信方式一起使用。
Linux共享内存的API都定义在sys/shm.h头文件中，包括4个系统调用：shmget、shmat、shmdt和shmctl。
shmget系统调用shmget系统调用创建一段新的共享内存，或者获取一段已经存在的共享内存。定义如下：
#include <sys/shm.h>int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
和semget系统调用一样，key参数是一个键值，用来标识一段全局唯一的共享内存。size参数指定共享内存的大小，单位是字节。如果是创建新的共享内存，则size值必须指定。如果是获取已经存在的共享内存，则可以把size设置为0。
shmflg参数的使用和含义与semget系统调用的sem_flags参数相同。不过shmget支持两个额外的标志：
SHM_HUGETLB：类似于mmap的MAP_HUGETLB标志，系统将使用“大页面”来为共享内存分配空间SHM_NORESERVE：类似于mmap的MAP_NORESERVE，不为共享内存保留交换分区（swap空间）。这样，当物理内存不足的时候，对该共享内存执行写操作将触发SIGSEGV信号。shmget成功时返回一个正整数值，它是共享内存的标识符。shmget失败时返回-1，并设置errno。
如果shmget用于创建共享内存，则这段共享内存的所有自己都被初始化为0，与之关联的内核数据结构shmid_ds将被创建并初始化。shmid_ds结构体的定义如下：
struct shmid_ds{ struct ipc_prem shm_prem; /*共享内存的操作权限*/ size_t shm_segsz; /*共享内存大小，单位是字节*/ __time_t shm_atime; /*对这段内存最后一次调用shmat的时间*/ __time_t shm_dtime; /*对这段内存最后一次调用shmdt的时间*/ __time_t shm_ctime; /*对这段内存最后一次调用shmctl的时间*/ __pid_t shm_cpid; /*创建者PID*/ __pid_t shm_lpid; /*最后一次执行shmat或shmdt操作的进程PID*/ shmatt_t shm_nattach; /*目前关联到此共享内存的进程数量*/ /*省略一下填充字段*/}
shmget对shmid_ds结构体的初始化包括：
将shm_perm.cuid和shm_perm.uid设置为调用进程的有效用户ID将shm_perm.cgid和shm_perm.gid设置为调用进程的有效组ID将shm_perm.mode的最低9位设置为shmflg参数的最低9位将shm_segsz设置为size将shm_lpid、shm_nattach、shm_atime、shm_dtime设置为0将shm_ctime设置为当前的时间shmat和shmdt调用共享内存被创建/获取之后，我们不能立即访问它，而是需要先将它关联到进程的地址空间中。使用完共享内存之后，我们也需要将它从进程地址空间中分离。这两项任务分别由两个系统调用实现：
#include <sys/shm.h>
void* shmat(int shm_id， const void *shm_addr, int shmflg);
int shmdt(const void* shm_addr);
其中，shm_id参数是由shmget调用返回的共享内存标识符。
shm_addr参数指定将共享内存关联到进程的哪块地址空间，最终的效果还受到shmflg参数的可选标志SHM_RND影响：
如果shm_addr为NULL，则被关联的地址由操作系统选择。这是推荐的做法，以确保代码的可移植性。如果shm_addr非空，并且SHM_RND标志未被设置，则共享内存被关联到addr指定的地址处。如果shm_addr非空，并且设置了SHM_RND标志，则被关联的地址是[shm_addr - (shm_addr % SHMLBA)]。SHMLBA的含义是“段低端边界地址倍数”（Segment Low Boundary Address Multiple），它必须是内存页面大小PAGE_SIZE的整数倍。现在的Linux内核中，它等于一个内存页大小。SHM_RND的含义是圆整（round），即将共享内存被关联的地址向下圆整到离shm_addr最近的SHMLBA的整数被地址处。除了SHM_RND标志外，shmflg参数还支持如下标志：
SHM_RDONLY：进程仅能读取共享内存中的内容。若没有指定该标志，则进程可同时对共享内存进行读写操作（当然，这需要在创建共享内存的时候指定其读写权限）SHM_REMAP：如果地址shmaddr已经被关联到一段共享内存上，则重新关联SHM_EXEC：它指定对共享内存段的执行权限。对共享内存而言，执行权限实际上和读权限是一样的。shmat成功时返回共享内存被关联到的地址，失败则返回（void*）-1并设置errno。shmat成功时，将修改内核数据结构shmid_ds的部分字段：
将shm_nattach加1将shm_lpid设置为调用进程PID将shm_atime设置为当前的时间shmdt函数将关联到的shm_addr处的共享内存从进程中分离。它成功时返回0，失败则返回-1并设置errno。shmdt在成功调用时将修改内核数据结构shmid_ds的部分字段：
将shm_nattach减1将shm_lpid设置为调用进程的PID将shm_dtime设置为当前的时间shmctl系统调用shmctl系统调用控制共享内存的某些属性。定义如下：
#include <sys/shm.h>int shmctl(int shm_id, int command, struct shmid_ds* buf);
其中，shm_id参数是由shmget调用返回的共享内存标识符。command参数指定要执行的命令。shm_ctl支持的所有命令如下表：
shmctl成功时的返回值取决于command参数，如上表，失败是返回-1，并设置errno。
共享内存的POSIX方法mmap函数利用它的MAP_ANONYMOUS标志可以实现父、子进程之间的匿名内存共享。通过打开同一个文件按，mmap可以实现无关进程之间的内存共享。Linux提供了另外一种利用mmap在无关进程之间共享内存的方式。这种方式无需任何文件的支持，但它需要先使用如下函数创建或打开一个POSIX可移植操作系统接口（Portable Operating System Interface of UNIX，缩写为POSIX）共享内存对象：
#include <sys/mman.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>int shm_open(const char* name, int oflag, mode_t mode);
shm_open的使用方法与open系统调用完全相同。
name参数指定要创建/打开的内存。从可移植性的角度考虑，该参数应该使用“/somename”的格式：
以“/”开始，后接多个字符，且这些字符都不是“/”；
以“\0"结尾，长度不超过NAME_MAX（通常是255）
oflag参数指定创建方式。它可以是下列标志中的一个或者多个按位或：
O_RDONLY：以只读方式打开共享内存对象O_RDWR：以可读、可写方式打开内存共享对象O_CREAT：如果共享内存对象不存在，则创建之。此时mode参数的最低9位将指定该共享内存对象的访问权限。共享内存对象被创建的时候，其初始长度为0。O_EXCL：和O_CREAT一起使用，如果由name指定的共享内存已经存在，则shm_open调用返回错误，否则就创建一个新的共享内存对象O_TRUNC：如果共享内存已经存在，则把它截断，使其长度为0shm_open调用成功时返回一个文件描述符。该文件描述符可用于后续的mmap调用，从而将共享内存关联到调用进程。shm_open失败时返回-1，并设置errno。
和打开的文件最后需要关闭一样，由shm_open创建的共享内存对象使用完之后也需要被删除。这个通过如下函数实现：
#include <sys/mman.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>int shm_unlink(const char* name);
该函数将name参数指定的共享内存对象标记为等待删除。当所有使用该共享内存对象的进程都使用ummap将它从进程中分离之后，系统将销毁这个共享内存对象所占据的资源。
如果代码中使用了上述POSIX共享内存函数，则编译的时候需要指定链接选项-ltr。
共享内存实例在I/O复用高级应用中我们介绍过过一个聊天室程序。下面我们将它修改为一个多进程服务器：一个子进程处理一个客户连接。同时，我们将所有客户socket连接的读缓冲设计为一块共享内存：
#include <sys/socket.h>#include <netinet/in.h>#include <arpa/inet.h>#include <assert.h>#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <errno.h>#include <string.h>#include <fcntl.h>#include <stdlib.h>#include <sys/epoll.h>#include <signal.h>#include <sys/wait.h>#include <sys/mman.h>#include <sys/stat.h>#include <fcntl.h>#define USER_LIMIT 5#define BUFFER_SIZE 1024#define FD_LIMIT 65535#define MAX_EVENT_NUMBER 1024#define PROCESS_LIMIT 65536/*处理一个客户连接必要的数据*/struct client_data{ sockaddr_in address ; /*客户端socket地址*/ int connfd; /*socket文件描述符*/ pid_t pid; /*处理这个连接的子进程PID*/ int pipefd[2]; /*和父进程通信用的管道*/};static const char* shm_name = "/my_shm";int sig_pipefd[2];int epollfd;int listenfd;int shmfd;char *电脑 share_mem = 0;/*客户连接数组。进程使用客户连接的编号来索引这个数据，及可取得相关的客户连接数据*/client_data* users = 0;/*子进程与客户连接的映射关系，用进程PID来索引这个数组。即可取得该进程所处理的客户链接的编号*/int* sub_porcess = 0;/*当前客户数量*/int user_count = 0;bool stop_child = false;int setnonblocking(int fd){ int old_option = fcntl(fd, F_GETFL); int new_option = old_option | O_NONBLOCK; fcntl(fd, F_SETFL, new_option); return old_option;}void addfd(int epollfd, int fd){ epoll_event event; event.data.fd = fd; event.events = EPOLLIN | EPOLLET; epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &event); setnonblocking(fd);}void sig_handler(int sig){ int save_errno = errno; int msg = sig; send(sig_pipefd[1], (char*)&msg, 1, 0); errno = save_errno;}void addsig(int sig, void(*handler)(int), bool restart = true){ struct sigaction sa; memset(&sa, '\0', sizeof(sa)); sa.电脑sa_handler = handler; if(restart){ sa.sa_flags |= SA_RESTART; } sigfillset(&sa.sa_mask); assert(sigaction(sig, &sa, NULL) != -1);}void del_resource(){ close(sig_pipefd[0]); close(sig_pipefd[1]); close(listenfd); close(epollfd); shm_unlink(shm_name); delete [] users; delete [] sub_porcess;}/*停止一个子进程*/void child_term_handler(int sig){ stop_child = true;}/*子进程运行的函数，参数idx指出该子进程处理客户链接的编号users是保存连接数据的数组参数share_mem指出共享内存的其实地址*/int run_child(int idx, client_data* users, char* share_mem){ epoll_event events[MAX_EVENT_NUMBER]; /*子进程使用I/O复用技术来同时监听两个文件描述副： 客户连接socket、 与父进程通信的管道文件描述符*/ int child_epollfd = epoll_create(5); assert(child_epollfd != -1); int connfd = users[idx].connfd; addfd(child_epollfd, connfd); int pipefd = users[idx].pipefd[1]; addfd(child_epollfd, pipefd); int ret = 0; /*子进程需要设置自己的信号处理函数*/电脑 addsig(SIGTERM, child_term_handler, false); while (!stop_child){ int number = epoll_wait(child_epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1); if(number < 0 && errno != EINTR){ printf("epoll failure\n"); break; } for(int i = 0; i < number; ++i) { int sockfd = events[i].data.fd; /*本子进程负责的客户连接有数据到达*/ if(sockfd == connfd && events[i].events & EPOLLIN){ memset(share_mem + idx* BUFFER_SIZE, '\0', BUFFER_SIZE); /*将客户数据读取到对应的读缓存中。 读缓存是共享内存的一段，它开始去idx*BUffER_SIZE处，长度为BUFFER_SIZE 每个客户连接的读缓存是共享的*/ ret = recv(connfd, share_mem + idx*BUFFER_SIZE, BUFFER_SIZE-1, 0); if(ret < 0){ if(errno != EAGAIN){ stop_child = true; } 电脑 } else if(ret == 0){ stop_child = true; } else{ /*成功读取客户端数据后就通知主进程（通过管道）来处理*/ send(pipefd, (char*)&idx, sizeof(idx), 0); } } /*主进程通知本进程（通过管道）将第client个客户的数据发送到本进程负责的客户端*/ else if(sockfd == pipefd && events[i].events & EPOLLIN){ int client = 0; /*接受主进程发送过来的数据，即有客户端数据到达的连接编号*/ ret = recv(sockfd, (char*)&client, sizeof(client), 0); if(ret < 0){ if(errno != EAGAIN){ stop_child = true; } } else if(ret = 0){ stop_child = true; } else{ send(connfd, share_mem + client*BUFFER_SIZE, BUFFER_SIZE, 0); } } else{ 电脑 continue; } } } close(connfd); close(pipefd); close(child_epollfd); return 0;}int main(int argc, char const *argv[]){ if(argc <= 2){ printf("usage: %s ip_address port_number\n", basename(argv[0])); return 1; } const char* ip = argv[1]; int port = atoi(argv[2]); int ret = 0; struct sockaddr_in address; bzero(&address, sizeof(address)); address.sin_family = AF_INET; inet_pton(AF_INET, ip, &address.sin_addr); address.sin_port = htons(port); listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0); assert(listenfd >= 0); ret = bind(listenfd, (struct sockaddr*)&address, sizeof(address)); assert(ret != -1); ret = listen(listenfd, 5); assert(ret != -1); user_count = 0; users = new client_data[USER_LIMIT+1]; sub_porcess = new int[PROCESS_LIMIT]; for(int i = 0; i < PROCESS_LIMIT; ++i){ sub_porcess[i] = -1; } epoll_event events[MAX_EVENT_NUMBER]; epollfd = epoll_create(5); assert(epollfd != -1); addfd(epollfd, listenfd); ret = socketpair(PF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, sig_pipefd); assert(ret != -1); setnonblocking(sig_pipefd[1]); addfd(epollfd, sig_pipefd[0]); addsig(SIGCHLD, sig_handler); addsig(SIGTERM, sig_handler); addsig(SIGINT, sig_handler); addsig(SIGPIPE, SIG_IGN); bool stop_server = false; bool terminiate = false; /*创建共享内存，作为所有客户socket链接的读缓存*/ shmfd = shm_open(shm_name, O_CREAT| O_RDWR, 0666); assert(shmfd != -1); ret = ftruncate(shmfd, USER_LIMIT* BUFFER_SIZE); assert(ret != -1); share_mem = (char*)mmap(NULL, USER_LIMIT*BUFFER_SIZE, PROT_READ| PROT_WRITE, MAP_SHARED, shmfd, 0); assert(share_mem != MAP_FAILED); close(shmfd); while(!stop_server){ int number = epoll_wait(epollfd, events, MAX_EVENT_NUMBER, -1); if(number < 0 && errno != EINTR){ printf("epoll failure\n"); break; } for(int i=0; i < number; ++i){ int sockfd = events[i].data.fd; /*新的客户连接*/ if(sockfd == listenfd){ struct sockaddr_in client_address; socklen_t client_addrlength = sizeof(client_address); int connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&client_address, &client_addrlength); if(connfd < 0){ printf("errno is %d\n", errno); continue; } if(user_count >= USER_LIMIT){ const char *info = "too many users\n"; printf("%s", info); send(connfd, info, strlen(info), 0); close(connfd); continue; } /*保存第user_count个客户连接的相关数据*/ users[user_count].address = client_address; users[user_count].connfd = connfd; /*在主进程和子进程间建立管道，以传递必要的数据*/ ret = socketpair(PF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, users[user_count].pipefd); assert(ret != -1); pid_t pid = fork(); if(pid < 0){ close(connfd); continue; } else if (pid == 0){ close(epollfd); close(listenfd); close(users[user_count].pipefd[0]); close(sig_pipefd[0]); close(sig_pipefd[1]); run_child(user_count, users, share_mem); munmap((void*)share_mem, USER_LIMIT* BUFFER_SIZE); exit(0); } else{ close(connfd); close(users[user_count].pipefd[1]); addfd(epollfd, users[user_count].pipefd[0]); users[user_count].pid = pid; /*记录新的客户连接在数组users中的索引值， 建立进程pid和该索引值之间的映射关系*/ sub_porcess[pid] = user_count; user_count++; } } /*处理信号事件*/ else if(sockfd == sig_pipefd[0] && events[i].events & EPOLLIN){ int sig; char signals[1024]; ret = recv(sig_pipefd[0], signals, sizeof(signals), 0); if(ret == -1){ continue; } else if(ret == 0){ continue; } else{ for(int i = 0; i < ret; ++i){ switch (signals[i]) { case SIGCHLD:{ /*子进程退出，表示有某个客户端关闭了连接*/ pid_t pid; int stat; while((pid = waitpid(-1, &stat, WNOHANG)) > 0){ int del_user = sub_porcess[pid]; sub_porcess[pid] = -1; if(del_user < 0 || del_user > USER_LIMIT){ continue; } epoll_ctl(epollfd, EPOLL_CTL_DEL, users[del_user].pipefd[0],0); close(users[del_user].pipefd[0]); users[del_user] = users[--user_count]; sub_porcess[users[del_user].pid] = del_user; } if(terminiate && user_count == 0){ stop_server = true; } break; } case SIGTERM: case SIGINT:{ /*结束服务程序*/ printf("kill all the child now\n"); if(user_count == 0){ stop_server = true; break; } for(int i = 0; i < user_count; ++i){ int pid = users[i].pid; kill(pid, SIGTERM); } terminiate = true; break; } default: break; } } } } /*某个紫禁城向父进程写入了数据*/ else if(events[i].events &EPOLLIN){ int child = 0; ret = recv(sockfd, (char*)&child, sizeof(child),0); printf("read data from child process accross pipe\n"); if(ret == -1){ continue; } else if(ret == 0){ continue; } else{ /*向除负责处理第child和客户链接的子进程之外的其他子进程发送消息， 通知有客户要写*/ for(int j = 0; j < user_count; ++j){ if(users[j].pipefd[0] != sockfd){ printf("send data to child accross pipe\n"); send(users[j].pipefd[0], (char*)&child, sizeof(child), 0); } } } } } } del_resource(); return 0;}
电脑 电脑
