XSI IPC 通信之共享存储

    在XSI IPC通信之消息队列和XSI IPC通信之信号量两节中，我们讨论了消息队列和信号量，这一节将继续讨论同属于 XSI IPC 的存储共享。
    共享存储允许多个进程共享一个给定的存储区。因为数据不需要在进程之间复制，所以这是一种较快的 IPC。要注意的是，当一个进程在修改共享存储区时，其他进程不应该去操作这块区域。通常使用信号量来同步共享存储访问（当然也可使用记录锁或互斥量）。
    mmap 就是共享存储的一种形式，它是将同一个文件映射到各个进程的地址空间。XSI 共享存储和内存映射的文件的区别是，前者没有相关的文件。XSI 共享存储段是内存的匿名段。
    下表给出了影响共享存储的系统限制。

    内核为每个共享存储段维护着一个结构，它至少包含下面这些成员。

struct shmid_ds{
    struct ipc_perm  shm_perm;
    size_t           shm_segsz;    // size of segment in bytes
    pid_t            shm_lpid;     // pid of last shmop()
    pid_t            shm_cpid;     // pid of creator
    shmatt_t         shm_nattch;   // number of current attaches
    time_t           shm_atime;    // last-attach time
    time_t           shm_dtime;    // last-detach time
    time_t           shm_ctime;    // last-change time
    /* ... */
};

    其中的 ipc_perm 结构见XSI IPC 相似特征介绍。shmatt_t 类型定义为无符号整型，它至少与 unsigned short 一样大。
    shmget 函数可以创建或获得一个共享存储标识符。shmctl 函数可对共享存储段执行多种操作。shmat 函数可将创建好的共享存储段连接到进程的地址空间中。shmdt 函数可将共享段与进程分离。

#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int flag);
                        /* 返回值：若成功，返回共享存储 ID；否则，返回 -1 */
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
                        /* 返回值：若成功，返回 0；否则，返回 -1 */
void *shmat(int shmid, const void *addr, int flag);
                  /* 返回值：若成功，返回指向共享存储段的指针；否则，返回 -1 */
int shmdt(const void *addr);
                        /* 返回值：若成功，返回 0；否则，返回 -1 */

    shmget 函数在创建一个新段时，会初始化 shmid_ds 结构的下列成员。
    * ipc_perm 结构按XSI IPC 相似特征介绍一节中的所述进行初始化。该结构中的 mode 按 flag 中的相应权限位设置。
    * shm_lpid、shm_nattach、shm_atime 和 shm_dtime 都设置为 0。
    * shm_ctime 设置为当前时间。
    * shm_segsz 设置为请求的 size。
    参数 size 是共享存储段的长度，以字节为单位，通常将其向上取为系统页长的整数倍。若应用指定的 size 值并非系统页长的整倍数，则最后一页的余下部分是不可使用的。如果是在引用一个现存的段，则可将 size 指定为 0。创建一个新段时，段内的内容会被初始化为 0。
    shmctl 函数的 cmd 参数可指定下列 5 种命令中的一种，使其在 shmid 指定的段上执行。
    * IPC_STAT：取此段的 shmid_ds 结构，并将其存放在 buf 指向的结构中。
    * IPC_SET：将字段 shm_perm.uid、shm_perm.gid、shm_perm.mode 从 buf 指向的结构复制到此队列关联的 shmid_ds 结构中。此命令只能由下列两种进程执行：一种是其有效用户 ID 等于 shm_perm.cuid 或 shm_perm.uid，另一种是具有超级用户特权的进程。
    * IPC_RMID：从系统中删除该共享存储段。因为每个共享存储段维护着一个连接计数（及 shm_nattch字段），所以除非使用该段的最后一个进程终止或与该段分离，否则不会实际上删除该存储段。不过不管此段是否仍在使用，该段标识符都会被立即删除，不能再用 shmat 与该段连接。该命令也只能由上面提及的两种进程执行。
    Linux 和 Solaris 还提供了如下的另外两种命令。
    * SHM_LOCK：在内存中对共享存储段加锁。只能由超级用户执行。
    * SHM_UNLOCK：解锁共享存储段。也只能由超级用户执行。
    共享存储段连接到调用进程的哪个地址上与 shmat 函数的 addr 参数以及 flag 中是否指定了 SHM_RND 位有关，有以下几种情况。
    （1）如果 addr 为 0，则此段连接到由内核选择的第一个可用地址上（推荐）。
    （2）如果 addr 非 0，并且没有指定 SHM_RND，则此段连接到 addr 所指定的地址上。
    （3）如果 addr 非 0，并且指定了 SHM_RND，则此段连接到（addr - (addr mod SHMLBA)）所表示的地址上。SHM_RND 命令的意思是“取整”，SHMLBA 的意思是“低边界地址倍数”，它总是 2 的乘方，该算式是将地址向下取最近 1 个 SHMLBA 的倍数。
    如果在 flag 中指定了 SHM_RDONLY 位，则以只读方式连接此段，否则以读写方式连接。
    shmat 的返回值是该段所连接的实际地址，如果出错则返回 -1。如果 shmat 成功执行，那么内核将使相应 shmid_ds 结构中的 shm_nattch 计数器值加一。
    当对共享存储段的操作已经结束时，就可调用 shmdt 函数与该段分离。不过这并不从系统中删除其标识符以及相关的数据结构，该标识符仍然存在，直至某个进程调用带 IPC_RMID 命令的 shmctl 函数来特地删除它为止。其中的 addr 参数是之前调用 shmat 时的返回值。如果成功，shmdt 将使相关 shmid_ds 结构中的 shm_nattch 计数器减一。
    下面这个实例演示了将 addr 参数设为 0 的 shmat 函数的用法，它打印了一些特定系统存放各种类型的数据的位置信息（这些信息的说明见C 存储及环境一节）。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/shm.h>

#define ARRAY_SIZE	40000
#define MALLOC_SIZE	100000
#define SHM_SIZE	100000
#define SHM_MODE	0600	// user read/write

char array[ARRAY_SIZE];		// uninitialized data = bss

int main(void){
	int	shmid;
	char *ptr, *shmptr;

	printf("array[] from %p to %p\n", &array[0], &array[ARRAY_SIZE]);
	printf("stack around %p\n", &shmid);

	if((ptr=malloc(MALLOC_SIZE)) == NULL){
		printf("malloc error\n");
		exit(1);
	}
	printf("malloced from %p to %p\n", ptr, ptr+MALLOC_SIZE);

	shmid = shmget(IPC_PRIVATE, SHM_SIZE, SHM_MODE);
	if((shmptr=shmat(shmid, 0, 0)) != (void *)-1){
		printf("shared memory attached from %p to %p\n", shmptr, shmptr+SHM_SIZE);
		shmctl(shmid, IPC_RMID, 0);
	}
	exit(0);
}

    在一个基于 Intel 的 64 位 Linux 系统上运行此程序的结果如下：

$ ./prtMemoryLayout.out
array[] from 0x6020c0 to 0x60bd00
stack around 0x7fff957b146c
malloced from 0x9e3010 to 0x9fb6b0
shared memory attached from 0x7fba578ab000 to 0x7fba578c36a0

    下图显示了这种存储区布局示意图。