shmat函数用法

shmat 函数用于将共享内存段附加到进程的地址空间，是 System V 共享内存 API 的一部分。以下是其详细用法：

函数原型

1
2
3
#include <sys/shm.h>

void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);

参数说明

  1. shmid

    • 共享内存标识符，由 shmget() 函数创建或获取。
    • 示例：shmid = shmget(key, size, IPC_CREAT | 0666);

  2. shmaddr

    • 指定附加到进程地址空间的地址，通常设为 NULL，由系统自动选择合适地址。
    • 若指定非 NULL 地址，需确保对齐和可用性（不推荐手动指定）。

  3. shmflg

    • 标志位，常用选项：
      • SHM_RDONLY: 以只读方式附加共享内存。
      • 0: 默认读写权限。
    • 示例：shmflg = SHM_RDONLY;（仅读）或 shmflg = 0;（可读写）。

返回值

  • 成功：返回指向共享内存段的指针（char * 类型，可直接读写）。
  • 失败：返回 (void *) -1，错误信息可通过 errno 获取。

使用步骤

  1. 创建/获取共享内存段
    使用 shmget() 获取共享内存标识符：

    1
    2
    3
    key_t key = ftok("/path/to/file", 'A'); // 生成唯一键值
    int shmid = shmget(key, sizeof(data), IPC_CREAT | 0666);
    if (shmid == -1) { perror("shmget"); exit(1); }

  2. 附加共享内存到进程
    调用 shmat() 附加共享内存：

    1
    2
    char *shm_ptr = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);
    if (shm_ptr == (void *)-1) { perror("shmat"); exit(1); }

  3. 读写操作
    通过返回的指针直接访问共享内存：

    1
    2
    sprintf(shm_ptr, "Hello, Shared Memory!");  // 写入数据
    printf("Read data: %s\n", shm_ptr);         // 读取数据

  4. 分离共享内存
    使用 shmdt() 断开连接：

    1
    if (shmdt(shm_ptr) == -1) { perror("shmdt"); exit(1); }

  5. 删除共享内存（可选）
    当所有进程分离后，可通过 shmctl() 删除：

    1
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); // 标记为删除

完整示例

写入进程（writer.c）

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int main() {
    key_t key = ftok("shmfile", 65);
    int shmid = shmget(key, 1024, IPC_CREAT | 0666);
    char *str = (char *)shmat(shmid, NULL, 0);

    strcpy(str, "Hello from Writer!");
    printf("Writer sent: %s\n", str);

    shmdt(str);
    return 0;
}

读取进程（reader.c）

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
#include <sys/shm.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    key_t key = ftok("shmfile", 65);
    int shmid = shmget(key, 1024, 0666 | IPC_CREAT);
    char *str = (char *)shmat(shmid, NULL, SHM_RDONLY);

    printf("Reader received: %s\n", str);
    shmdt(str);
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL); // 删除共享内存
    return 0;
}

注意事项

  1. 同步机制
    共享内存不提供进程间同步，需结合信号量或互斥锁避免竞态条件。

  2. 生命周期
    即使所有进程分离，共享内存仍存在，除非显式删除（shmctl(IPC_RMID)）。

  3. 权限设置
    创建时需指定权限（如 0666），确保其他进程有访问权限。

  4. 指针安全
    避免在共享内存中存储绝对指针，不同进程的地址空间可能不同。

  5. 错误处理
    始终检查 shmat 返回值是否为 (void *)-1，并处理 errno。

通过上述步骤，可高效利用 shmat 实现进程间大数据量通信。

/dev/zero设备作用及用法

/dev/zero 是类 Unix 系统（如 Linux、macOS）中的一个特殊设备文件，它提供无限的零字节流（ASCII 字符 \0，即二进制 0x00）。以下是它的核心作用及典型用法：

作用

  1. 生成连续的零字节流

    • 读取 /dev/zero 会返回无限个 0x00 字节。
    • 写入 /dev/zero 会静默丢弃所有数据（类似黑洞设备 /dev/null），但可用于扩展文件大小。

  2. 高效初始化内存或文件

    • 用于快速填充文件或内存区域为零，避免手动写入零字节。

常见用法

1. 创建用零填充的文件

通过 dd 命令生成一个指定大小的全零文件：

1
2
# 创建一个 1GB 的空白文件（例如用于磁盘测试或加密容器）
dd if=/dev/zero of=zero_file.bin bs=1M count=1024
  • if=/dev/zero: 输入源为零字节流。
  • of=zero_file.bin: 输出文件。
  • bs=1M: 每次读写块大小为 1MB。
  • count=1024: 复制 1024 个块（总大小 1GB）。

2. 初始化内存（编程场景）

在 C 语言中，使用 mmap 将内存映射到 /dev/zero，创建匿名内存区域（初始为零）：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>

int main() {
    int fd = open("/dev/zero", O_RDWR); // 打开设备
    void *mem = mmap(
        NULL,                   // 由系统选择地址
        4096,                   // 映射大小（1页）
        PROT_READ | PROT_WRITE, // 可读写
        MAP_PRIVATE,            // 私有映射（修改不写回设备）
        fd,                     // 文件描述符
        0                       // 偏移量
    );
    close(fd);

    // 使用初始为零的内存区域
    memset(mem, 0, 4096); // 实际可能已为零，此操作冗余

    munmap(mem, 4096);     // 解除映射
    return 0;
}

3. 快速清空交换分区或内存

（需谨慎操作）通过填充 /dev/zero 到交换设备，强制系统释放交换空间：

1
2
3
4
5
# 清空交换分区（以 /dev/sdX 为例，操作前需卸载）
sudo swapoff /dev/sdX
dd if=/dev/zero of=/dev/sdX bs=1M
sudo mkswap /dev/sdX
sudo swapon /dev/sdX

4. 扩展文件大小

向文件追加零字节（例如为虚拟机磁盘扩容）：

1
2
# 扩展 existing_file.bin 的大小（增加 100MB）
dd if=/dev/zero bs=1M count=100 >> existing_file.bin

与 /dev/null 和 /dev/random 的区别

设备文件 读取行为 写入行为 典型用途
/dev/zero 返回无限零字节 (0x00) 静默丢弃数据 初始化内存/文件、填充空白区域
/dev/null 立即返回 EOF（无数据） 静默丢弃数据 丢弃输出、模拟空设备
/dev/random 返回高质量随机字节（可能阻塞） 静默丢弃数据 生成加密密钥、安全随机数
/dev/urandom 返回非阻塞的伪随机字节 静默丢弃数据 非加密场景的随机数生成

注意事项

  1. 权限问题

    • /dev/zero 通常对所有用户可读可写（权限为 crw-rw-rw-）。

  2. 性能优化

    • 使用 dd 时，增大 bs（块大小）参数可提升效率（例如 bs=1M 代替 bs=512）。

  3. 内存映射替代方案

    • 在 Linux 中，MAP_ANONYMOUS 标志可直接创建匿名内存映射（无需打开 /dev/zero）：
      1
      void *mem = mmap(NULL, 4096, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

  4. 避免无限读取

    • 直接读取 /dev/zero 会无限输出零字节，需通过工具（如 dd）限制读取量。

典型场景示例

加密文件初始化

创建用零填充的加密容器（如 VeraCrypt）：

1
2
dd if=/dev/zero of=encrypted_container.img bs=1G count=10
veracrypt -c encrypted_container.img

测试磁盘写入速度

测试磁盘写入性能（覆盖缓存）：

1
2
# 使用零数据测试写入速度
dd if=/dev/zero of=/tmp/testfile bs=1G count=1 oflag=direct

通过合理利用 /dev/zero，可以高效完成文件初始化、内存分配等任务，尤其适合需要快速填充零字节的场景。