【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


 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。


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.


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IDpid_t shm_lpid;             // 最后一个操作共享内存的进程IDunsigned 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。


        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);

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 3string 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bufferchar 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~

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