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引入
进程间通信，顾名思义就是一个进程和另一个进程之间进行对话，以此完成数据传输、资源共享、通知事件或进程控制等。
众所周知，进程具有独立性，即使是父子进程也会彼此独立，互相看不到对方的任何信息。
而独立性是阻碍通信的，所以进程间通信要打破这种阻碍，打破进程独立性，也就是要让两个不想干的进程看到同一份资源。
在上一篇文章中我们分别介绍了匿名管道和命名管道两种通信方式，通过建立一个内存级文件，一个进程向该文件写内容，另一个进程从该文件中读内容，这样就完成了两个进程之间的通信。
既然可以建立一个内存级文件，能否省去文件，直接开辟一块内存，要通信的进程能同时使用这块内存呢？
这就是下面要介绍的共享内存(Shared Memory)。
共享内存的原理
在介绍共享内存之前先了解一下它的工作原理。
我们肯定了解C语言中有malloc函数，可以开辟一块内存空间，这块空间能通过页表映射到进程地址空间的堆区。但是进程空间不止有堆区，还有什么栈区、初始化数据区、未初始化数据区等等…其中在堆区和栈区之间还有一个共享区。我们今天要讲的共享内存，就是要映射到共享区的。
我们同样可以使用类似于malloc功能的接口来申请一块内存空间。然后将申请的这部分内存空间映射到进程地址空间的共享区，在另一个进程中我们也做相同的事情，这样两个进程就同时关联了同一块物理内存空间，一个进程向这段内存中写，另一个进程从这块内存读取，这样同样也能实现两个进程之间的通信。当两个进程之间不再需要通信时，我们先不急着释放这块内存，因为释放之后所有共享这块内存的进程都无法使用了，我们也不知道究竟有几个进程同时使用这块内存通信。所以首先取消内存和不再需要通信的进程之间的映射，也就是去关联。当这块内存真不需要的时候，再将其释放掉。
如此就是通过共享内存进行通信的简单原理：
共享内存的相关接口
有了原理层面的简单了解，就可以学习一下相关接口了。下面主要介绍四个接口s。
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
int shmdt(const void *shmaddr);
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
shmget()
int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
功能：用来创建共享内存
参数：key: 可以唯一标识共享内存段的key值
size: 共享内存块的大小，一般是4kb的整数倍
shmflag: 共享内存块的权限，用二进制数中的位进行标识
返回值：成功返回一个非负整数，即该共享内存段的标识码；失败返回-1
shmat()
全称是shm attach，功能就是将进程与共享内存挂接。
void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
功能：将共享内存段连接到进程地址空间
参数：shmid: 共享内存的id，可以唯一标识共享内存
shmaddr: 指定链接到进程空间中的地址
shmflg: 常用的标识有两个，SHM_RND和SHM_RDONLY
返回值：成功返回一个指针，指向共享内存的首地址，类似于malloc；失败返回-1
shmdt()
全称是shm detach，功能就是取消进程与共享内存的挂接，也就是去关联。
int shmdt(const void *shmaddr);
功能：将共享内存段与当前进程脱离
参数：shmaddr: 由shmat所返回的指针，也就是共享内存的首地址，用法类似于free()
返回值：成功返回0；失败返回-1
shmctl()
全称是shm control，功能就是控制共享内存。
int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
功能：用于控制共享内存
参数：shmid: 由shmget返回的共享内存标识码
cmd: 将要采取的动作，常用的有三个取值
buf: 输出型参数，指向一个存储共享内存块部分属性结构体，如果需要时会将shmid对应的共享内存块的信息拷贝到该结构体中，为输出型参数
共享内存的简单使用
下面举一个使用共享内存进行通信的简单例子。
为了便于使用，我们把一些公共信息比如key和pathname和共享内存的接口进行封装一下，放在一个头文件common.hpp中：
// common.hpp
#pragma once
#include <iostream>
#include <cerrno> // 用于打印报错信息
#include <cstring> // 调用C的部分字符串相关的接口
#include <cstdlib>
#include <cstdio>
#include <sys/ipc.h> // 共享内存的相关接口
#include <sys/shm.h>
using namespace std;
#define PATHNAME "." // 在当前目录下创建共享内存
#define PROJ_ID 0x66 // ftok()创建key时的参数，任意取值都行
#define MAX_SIZE 4096 // 共享内存的大小，建议4kb的整数倍
// 通过ftok()获取key
key_t getKey()
{
key_t k = ftok(PATHNAME, PROJ_ID);
if (k < 0)
{
cerr << errno << ":" << strerror(errno) << endl;
exit(-1);
}
return k;
}
// 辅助函数，结合后面两个函数看
int getShmHelper(key_t k, int flags)
{
int shmid = shmget(k, MAX_SIZE, flags);
if (shmid < 0)
{
cerr << errno << ":" << strerror(errno) << endl;
exit(-1);
}
return shmid;
}
// 获取shm，如果不存在就创建
int getShm(key_t k)
{
return getShmHelper(k, IPC_CREAT);
}
// 创建新的shm
int createShm(key_t k)
{
return getShmHelper(k, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0600);
}
// 挂接shm
void* attachShm(int shmid)
{
void* mem = shmat(shmid, nullptr, 0);
if (mem == (void*)(-1))
{
cerr << errno << ":" << strerror(errno) << endl;
exit(-1);
}
return mem;
}
// 去关联
void detachShm(void* mem)
{
if (shmdt(mem) == -1)
{
cerr << errno << ":" << strerror(errno) << endl;
exit(-1);
}
}
// 删除shm
void delShm(int shmid)
{
if(shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr) == -1)
{
std::cerr << errno << " : " << strerror(errno) << std::endl;
exit(-1);
}
}
在server.cpp中创建共享内存，然后等待接受信息：
// server.cpp
#include "common.hpp"
#include <unistd.h> // 在该文件中会调用getpid()函数
int main()
{
key_t k = getKey();
printf("key: 0x%x\n", k); // key
int shmid = createShm(k);
printf("shmid: %d\n", shmid); // shmid
// 直接以char*类型使用共享内存段，也就是把共享内存段存储的数据看成字符串
// 后续使用就跟使用用malloc开辟的空间一样
char *start = (char *)attachShm(shmid);
printf("attach success, address start: %p\n", start);
struct shmid_ds ds; // 保存共享内存信息的结构体
shmctl(shmid, IPC_STAT, &ds); // 获取共享内存的部分属性信息并打印一下
printf("获取属性: size: %d, pid: %d, myself: %d, key: 0x%x\n",
ds.shm_segsz, ds.shm_cpid, getpid(), ds.shm_perm.__key);
// 使用
while (true)
{
printf("client say : %s\n", start);
sleep(1);
}
// 去关联
detachShm(start);
sleep(10);
delShm(shmid); // 删除共享内存
return 0;
}
在client.cpp中向共享内存写入信息：
// clent.cpp
#include "common.hpp"
#include <unistd.h> // 在该文件中会调用getpid()函数
int main()
{
key_t k = getKey();
printf("key: 0x%x\n", k); // key
int shmid = getShm(k);
printf("shmid: %d\n", shmid); // shmid
char *start = (char*)attachShm(shmid);
printf("attach success, address start: %p\n", start);
const char* message = "hello server, 我是另一个进程，正在和你通信";
pid_t id = getpid();
int cnt = 1;
while(true)
{
snprintf(start, MAX_SIZE, "%s[pid:%d][消息编号:%d]", message, id, cnt++);
sleep(1);
}
detachShm(start);
return 0;
}
在client.cpp中一秒发送一条信息，在server.cpp中一秒打印一条信息，此时运行情况如下：
共享内存的特点
在结束掉上面两个进程之后再次运行server：
此时会报错说文件已经存在了，也就是我们结束掉进程之后共享内存并没有自动销毁。
所以共享内存的生命周期是不随进程的，如果我们一直不释放，只有在关掉系统时消失，所以共享内存的生命周期是随OS的。
当然linux也有一些查看共享内存相关的命令，我们可以用ipcs -m命令查看共享内存：
发现此时确实有一个共享内存，查看它的key和shmid信息也确实是我们刚刚创建的。其中几个属性还有owner，为创建共享内存的用户。perms就是permissions，权限的意思，正好也是我们创建共享内存时输入的权限0666。bytes就是共享内存的大小。nattach就是和共享内存挂接的进程的数量。
此时我们就可以用ipcrm -m $shmid指令手动释放掉共享内存：
上面创建完共享内存之后的使用方式就跟使用malloc开辟的空间似的。因为在进程的视角来看那就是自己空间的一部分，直接使用，不像管道似的还要先把要发送的数据存起来开然后向管道中写入，多了向管道中写入和从管道中读出两次拷贝。所以共享内存是所有进程间通信的方式中最快的。
我们还发现了，在运行client之前server端已经向显示器打印信息了，即使共享内存中没有信息。在client端关掉之后，server端就一直打印client最后发送的信息。所以共享内存是不会像管道一样能进行同步和互斥，也不会对数据有任何的保护。同步和互斥是通过信号量来完成的。