【Linux】进程间通信——system V共享内存

目录

 写在前面的话

System V共享内存原理

System V共享内存的建立

代码实现System V共享内存

创建共享内存shmget()

ftok()

删除共享内存shmctl()

挂接共享内存shmat()

取消挂接共享内存shmdt()

整体通信流程的实现

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 写在前面的话

         上一章我们讲了进程间通信的第一种方式 --- 管道，这一章我们将继续讲解进程间的通信的第二种方式 --- system V共享内存。

        在讲解之前，还是先建议去把进程间通信管道的方式和原理搞明白，这样理解起system V共享内存来会简单许多。

System V共享内存原理

        共享内存是一种进程间通信（IPC）的机制，允许多个进程共享同一块内存区域，以便它们可以直接读取和写入其中的数据，从而实现高效的数据共享和通信。

         在共享内存中，当进程task_struct创建或连接到共享内存段时，操作系统会为每个进程分配一个虚拟地址空间mm_srtuct，将这个虚拟地址通过页表 映射到相同的物理内存区域。这样，多个进程就可以通过自己的虚拟地址访问相同的物理内存，实现对同一块内存的共享访问。通过虚拟地址到物理地址的映射，多个进程可以看到同一个共享内存.

        那么如何释放共享内存呢？

也很简单，只需要将每个进程 和 共享内存建立的映射去掉，然后释放掉共享内存即可.

System V共享内存的建立

        假设有很多进程都在用共享内存，这样内存中也会出现大量的 共享内存块，所以OS要把这些共享内存块管理起来，方式：先描述再组织，这样要把共享内存属性抽象成数据结构，然后利用一些方式将这些数据结构组织起来.所以：

       1. 共享内存 = 共享内存块 + 共享内存块对应的内核数据结构

       2.共享内存块一定不属于任何一个进程，而是属于操作系统.

建立共享内存的大体流程如下：

1. 创建共享内存段：使用 shmget() 系统调用来请求创建一个共享内存段。该调用需要指定共享内存的大小、权限和标志等参数，并返回一个唯一的共享内存标识符。

2. 连接到共享内存段：使用 shmat() 系统调用将当前进程附加到共享内存段。这个调用将返回共享内存段的地址，并将该地址映射到当前进程的虚拟地址空间。

3. 访问共享内存：连接到共享内存的进程可以通过在其地址上执行内存操作，直接读取和写入共享内存段中的数据。进程可以使用指针、数组或结构体等方式在共享内存段中存储和访问数据。

4. 分离共享内存：当进程完成对共享内存的访问后，使用 shmdt() 系统调用将其与共享内存段分离。分离后，进程将无法再访问共享内存段，但共享内存段仍然存在。

5. 删除共享内存段：当不再需要共享内存段时，可以使用 shmctl() 系统调用删除它。这个调用需要指定共享内存标识符和特定的控制操作，比如传递 IPC_RMID 参数表示删除共享内存段.

        具体的使用方法及原理，我们在下面马上讲解。

代码实现System V共享内存

        按我们上面所说的，第一步是利用shmget()建立共享内存段，我们来看一下它的用法.

创建共享内存shmget()

        这个函数作用是创建并获取一个共享内存。

        先说第二个参数，是size，代表的是要创建的共享内存有多大

        再来说第三个参数shmflg，代表我们要设置的选项，共有两个选项：

        1.IPC_CREATE：创建共享内存，如果底层已经存在，则获取并返回；如果不存在，则创建共享内存然后再返回，

        2.IPC_EXCL：单独使用它没有意义，一般和IPC_CREATE合起来使用，见下：

        3.IPC_CREATE | IPC_EXCL：如果底层不存在，则创建共享内存并返回；如果底层存在，则出错返回。言外之意，如果返回成功，那么一定是一个全新的内存块！

        最后再来说第一个参数 key.

        我们利用共享内存通信时会有一个问题，要通信的对方进程，怎么保证对方看到的共享内存就是我创建的呢？毕竟有很多共享内存.

        这个我们就需要通过key，key数据是多少不重要，只要保证在系统里唯一即可！ 两个通信端A 和 B，只要使用同一个key，便可以找到同一块共享内存。因为key是唯一的，即这个共享内存块也是唯一的！

        相当于是给每个共享内存块编了个号，这个号码是唯一的，所以只要拿到了编号，就能找到相同的共享内存块。

        那么这个唯一的key值如何得到呢？这里需要用到ftok()函数

ftok()

我们先来看一下函数的使用：

1. pathname：一个字符串，用于标识一个文件的路径名。通常会选择一个已经存在的文件，因为 ftok() 函数将使用该文件的inode编号和 proj_id 参数通过算法来生成键值key。

2. proj_id：一个整数，作为用于生成键的项目标识号。该参数通常取一个非负整数。

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然后我们来看一下返回值：

         看到如果成功的话，生成的键值被返回，否则-1被返回。

这些说清楚了，我们来用一下吧：

首先四个文件，comm.hpp，里面包含了必要的头文件及宏定义，这个便不再展示了；

        Log.hpp是日志文件，上一章我们写了，这里不写也可以，直接cout输出也行。

        shmClient.cc中我们写入以下代码：

#include "comm.hpp"
#include "Log.hpp"
int main()
{
    key_t k = ftok(PATH_NAME,PROJ_ID);
    Log("create key done",Debug) << " client key : " << k << endl;

    return 0;
}

        shmServer中拷贝一份代码，然后把输出语句中的client改成server，然后我们编译运行来及看一下效果：

         可以发现生成了一样的key值，这样便可以找到同一块共享内存块了.

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这样shmget的第一个参数也讲完了，接下来说一下返回值.

    返回值是如果建立成功，则返回这段共享内存的标识符，否则返回-1并且错误码被设置。

删除共享内存shmctl()

        当我们创建好共享内存后，最后还需要删除它，因为共享内存的生命周期是随内核的！

        不关闭的话，只要操作系统一直在运行，那么它就一直存在，占用空间资源。所以必须需要删除.

        有两种方法删除：手动指令删除、代码删除

指令删除：

        我们首先创建了一个共享内存，然后该进程执行完毕，进程退出。                

         我们在终端输入

ipcs -m

        来查看当前共享内存的使用情况

         可以发现确实没有释放掉。然后我们可以利用

ipcrm -m shmid

        来删除对应的共享内存，此时我输入这条指令后便没有了这块内存了。

这里提到了perms，这个是权限的意思，我们可以在shmget的第三个选项 加上权限，如下:

    int shmid = shmget(k,SHM_SIZE,IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);

此时perms就变成了666. 

代码删除

        每次手动删除太麻烦了，我们直接卸载程序里到时候自动帮我们删除不更方便吗

        所以我们需要用到一个函数shmctl()

1. shmid：共享内存段的标识符（ID），即通过调用 shmget() 函数创建共享内存时返回的 shmid。

2. cmd：控制命令，用于指定要执行的操作类型。可以使用以下命令之一：

   • IPC_STAT：获取共享内存段的状态信息，将结果存储在 buf 参数指向的 struct shmid_ds 结构体中。
   • IPC_SET：设置共享内存段的状态信息，使用 buf 参数中提供的值。
   • IPC_RMID：删除共享内存段，将其标记为删除状态，并在释放最后一个进程的附加段之后销毁。

3. buf：一个指向 struct shmid_ds 结构体的指针，用于传递或接收共享内存段的状态信息。

     这是struct shmid_ds结构体指针的内容：

struct shmid_ds {
    struct ipc_perm shm_perm;   // 共享内存的权限信息
    size_t shm_segsz;           // 共享内存的大小
    time_t shm_atime;           // 上一次连接共享内存的时间
    time_t shm_dtime;           // 上一次与共享内存断开连接的时间
    time_t shm_ctime;           // 上一次修改共享内存的时间
    pid_t shm_cpid;             // 创建共享内存的进程ID
    pid_t shm_lpid;             // 最后一个操作共享内存的进程ID
    unsigned short shm_nattch;  // 当前连接到共享内存的进程数量
    // 其他字段...
};

其中第二个参数cmd我们目前只使用第3个IPC_RMID删除共享内存的选项。

第三个参数buf我们暂且不使用，直接传入nullptr。

    int n = shmctl(shmid,IPC_RMID,nullptr);

挂接共享内存shmat()

        我们创建好了共享内存，当然需要将进程的地址空间与其挂接上，然后 才能使用，这里使用到了函数shmat().

shmat() 函数接受三个参数：

1. shmid：共享内存段的标识符（ID），即通过调用 shmget() 函数创建共享内存时返回的 shmid。表示你想挂接哪一个共享内存。

2. shmaddr：共享内存段连接到进程地址空间的首地址。通常将其设置为 NULL，指示系统选择适当的地址。如果想要指定特定的地址，可以传递一个非空的地址值。但不建议这样使用。

3. shmflg：标志参数，用于指定连接共享内存的选项。常用的选项有：

   • SHM_RDONLY：以只读方式连接共享内存，不允许写入。
   • SHM_RND：将 shmaddr 参数忽略，系统选择一个地址以进行连接。

              其他选项参考 shmat() 函数的文档以获得更多详细信息。

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        它的返回值是void*，是一个指向共享内存段的指针，即连接到进程地址空间的首地址。我们需要将结果强转为我们需要的类型，一般为char*，和malloc的使用类似。

所以可以如下这样使用：

    char* shmaddr = (char*)shmat(shmid,nullptr,SHM_RDONLY);

shmaddr便是连接的进程地址空间的首地址。

取消挂接共享内存shmdt()

        删除共享内存时，无论有多少个进程与共享内存连接，都会被直接清理掉，这种方式不太好，所以在删除共享内存前，可以先取消挂接。当挂接数为0时，再释放共享内存。

        同样先来看一下用法：

         这个参数正好是我们刚才shmat返回的进程地址空间的首地址shmaddr，表示将共享内存从调用进程的地址空间中分离，使得该进程无法再访问该共享内存。

        再来看一下返回值：

        如果取消挂接成功，则返回0，失败则返回-1.

所以我们可以直接这么使用：

    //3.将指定的共享内存，挂接到自己的地址空间
    char* shmaddr = (char*)shmat(shmid,nullptr,SHM_RDONLY);

    //这里就是通信的逻辑

    //4.将指定的共享内存，从自己的进程地址空间取消关联
    int n = shmdt(shmaddr);
    assert(n != -1);

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整体通信流程的实现

        认识了上面的接口，加上我们在共享内存的建立中所说的步骤，我们便可以制作一个完整的利用System V共享内存通信的流程了。        

        0. 我们要利用ftok()生成共享内存唯一标识key.

        1. 然后我们利用key调用shmget()函数创建共享内存

        2. 接着我们需要利用shmat()挂接上共享内存

        3. 然后实现通信的流程

        4. 利用shmdt()取消挂接

        5. 利用shmctl()删除共享内存(一般是server，谁创建的谁删除)

这里一共四个文件，分别为Log.hpp(日志信息)，comm.hpp(共用的头文件),shmServer.cc, shmClient.cc 

Log.hpp(日志信息)

#pragma once
#include <iostream>
#include <ctime>
#include<string>
using namespace std;

#define Debug 0
#define Notice 1
#define Warning 2
#define Error 3

string msg[] = {
    "Debug ",
    "Notice",
    "Warning",
    "Error"
};

ostream& Log(string message,int level)
{
    cout << " | " << (unsigned)time(NULL) << " | " << msg[level] << " | " << message;

    return cout;
}

comm.hpp(共用的头文件)

#pragma once 
#include<iostream>
#include<string>
#include<cstring>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<assert.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/ipc.h>
#include<sys/shm.h>
using namespace std;

#define PATH_NAME "/home/hyx"
#define PROJ_ID 0x66
#define SHM_SIZE 4096 //最好是页(PAGE:4096)的整数倍,假设是4097，OS也会申请4096*2的空间，剩下的4095空间相当于浪费了 

shmServer.cc

#include "comm.hpp"
#include "Log.hpp"
string TransToHex(key_t k)
{
    char buffer[32];
    snprintf(buffer, sizeof(buffer),"0x%x",k);
    return buffer;
}
int main()
{
    //1.创建公共的key值
    key_t k = ftok(PATH_NAME,PROJ_ID);
    Log("create key done",Debug) << " server key : " << TransToHex(k) << endl;

    //2.创建共享内存 --- 建议创建一个全新的共享内存 
    int shmid = shmget(k,SHM_SIZE,IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
    if(shmid == -1)
    {
        perror("shmget");
        exit(1);
    }
    Log("create shm done",Debug) << " shmid: " << shmid << endl;
    // sleep(10);

    //3.将指定的共享内存，挂接到自己的地址空间
    char* shmaddr = (char*)shmat(shmid,nullptr,SHM_RDONLY);
    Log("attach shm done",Debug) << " shmid: " << shmid << endl;
    // sleep(10);

    //这里就是通信的逻辑
    //将共享内存当做一个大字符串
    // char buffer[SHM_SIZE];
    //结论1：只要双方使用shm，一方直接向共享内存中写入数据。另一方就可以立马看到
    //       共享内存是所有进程IPC，速度最快的！ 因为不需要过多的拷贝！表现为不需要将数据拷贝给操作系统
    for(;;)
    {
        printf("%s\n",shmaddr);
        if(strcmp(shmaddr,"quit") == 0) break;
        sleep(1);
    }

    //4.将指定的共享内存，从自己的进程地址空间取消关联
    int n = shmdt(shmaddr);
    assert(n != -1);
    Log("detach shm done",Debug) << " shmid: " << shmid << endl;
    // sleep(10);

    //5..删除共享内存
    n = shmctl(shmid,IPC_RMID,nullptr);
    assert(n != -1);
    Log("delete shm done",Debug) << " shmid: " << shmid << endl;

    return 0;
}

shmClient.cc 

#include "comm.hpp"
#include "Log.hpp"
int main()
{
    key_t k = ftok(PATH_NAME,PROJ_ID);
    if(k < 0)
    {
        Log("create key done", Error) << "client key : " << k << endl;
        exit(1);
    }
    Log("create key done",Debug) << " client key : " << k << endl;

    //获取共享内存
    int shmid = shmget(k,SHM_SIZE,IPC_CREAT);
    if(shmid < 0)
    {
        Log("create shm failed", Error) << "client key : " << k << endl;
        exit(2);
    }
    Log("create shm success", Debug) << "client key : " << k << endl;
    // sleep(10);

    
    char* shmaddr = (char*)shmat(shmid,nullptr,0);
    if(shmaddr == nullptr)
    {
        Log("attach shm failed", Error) << "client key : " << k << endl;
        exit(3);
    }
    Log("attach shm success", Debug) << "client key : " << k << endl;
    // sleep(10);

    //使用
    //client将共享内存看做一个char类型的buffer
    char a = 'a';
    for(;a <= 'e'; a++)
    {
        //我们是每一次都向shmaddr[共享内存起始地址]写入
        snprintf(shmaddr,SHM_SIZE-1,\
        "hello,server, my pid is: %d, inc : %c\n",getpid(),a);
        sleep(2);
    }
    strcpy(shmaddr,"quit");

    //去关联
    int n = shmdt(shmaddr);
    assert(n != -1);
    Log("detach shm success",Debug) << "client key : " << k << endl;
    // sleep(10);
    //client 不需要删除共享内存，server负责这些，和client没关系。
    return 0;
}

然后我们编译运行，分两个窗口观察：

 client

 可以看到，双方都实现了通信。

到这里System V共享内存就介绍完毕了，如果有不懂或疑问的地方，欢迎评论区或私信哦~