【Linux】—— 共享内存

本期我将要带大家学习的是有关进程间通信的另一种方式——共享内存。共享内存是一种用于进程间通信的高效机制，允许多个进程访问和操作同一块内存区域。

目录

（一）深刻理解共享内存

1.1 概念解释

1.2 共享内存原理

1.3 共享内存数据结构

1.4 共享内存函数

（二） 代码实现

（一）深刻理解共享内存

1.1 概念解释

  • 共享内存区是最快的IPC形式。一旦这样的内存映射到共享它的进程的地址空间，这些进程间数据传递不再涉及到内核，它允许不同的进程通过映射同一块物理内存区域来实现数据的直接读写，换句话说是进程不再通过执行进入内核的系统调用来传递彼此的数据

1.2 共享内存原理
 

  • 首先大家要明白要进入通信，前提是不是得有进程，而且对于共享内存它不像匿名管道那样必须得是父子进程；
  • 对于共享内存任意两个进程之间都可以创建，其中它的通信原理，我们在思考的时候一定要先想明白，只要此时存在一个进程它就有己的PCB、它就要有自己的地址空间、它就有自己的页表；
  • 同样的对于另一个进程，在被创建的时候也要有自己的PCB、也要有自己的地址空间、那么更要有自己的页表结构好。

【解释说明】 

  1. 不管是进程a还是B，这两进程当中任一个进程，它对应的都要将自己的数据，要能够映射到物理内存当中的特定区域；
  2. 最终它的地址空间当中，所有的代码和数据都会经过我们对应的页表映射到我们对应的物理内存当中，进而让我们找到该进程匹配的代码和数据；
  3. 对于进程B来讲它也有自己的地址空间，它也有自己的页表，最终可以映射到我们对应的内存当中的某一些特定的区域来代表它的代码或者数据；那么同样的进程a也有自己的代码和数据，包括它自己的，还有动态库等等，最后也会映射到我们物理内存当中的特定的区域

【解释说明】

  • 第一步：我们先有一段儿我们对应的物理内存的空间；
  • 第二步：对于进程A可以把一个库加载内存映射到他这个地址空间里，然后返回给用户，或者让对应的代码区的代码直接跳转到库里面去跑，而我们如果我创建了一块儿内存，然后想办法把对应的这块儿内存经过页表映射到我们对应的地址空间当中的某一个区域；然后我把这块儿地址空间对应的区域地址返回给用户。我们这里就相当于构建从共享内存到当前进程的地址空间内的映射，然后在这里将对应空间它的起始地址返回给用户；
  • 第三步：同样的进程B，它如果也做同样的工作也将对应的这部分地址空间映射到自己的那么共享区当中，将对应的代码和数据的那个虚拟起始地址，尤其是内存块儿的起始地址返回给用户，那么未来进程A和进程B只要使用对应的起始的虚拟地址就可以访问了。
  • 此时我们不就完成了让不同的进程A和进程B看到了同一份儿资源，这就叫做共享内存！！！

1.3 共享内存数据结构

struct shmid_ds {struct ipc_perm shm_perm; /* operation perms */int shm_segsz; /* size of segment (bytes) */__kernel_time_t shm_atime; /* last attach time */__kernel_time_t shm_dtime; /* last detach time */__kernel_time_t shm_ctime; /* last change time */__kernel_ipc_pid_t shm_cpid; /* pid of creator */__kernel_ipc_pid_t shm_lpid; /* pid of last operator */unsigned short shm_nattch; /* no. of current attaches */unsigned short shm_unused; /* compatibility */void *shm_unused2; /* ditto - used by DIPC */void *shm_unused3; /* unused */
};

1.4 共享内存函数

在Linux系统中，共享内存通常通过系统调用来实现。以下是一些与共享内存相关的主要函数：

ftok函数：

  • 功能：生成一个唯一的key，用于标识共享内存段。
  • 参数：
    • keyfile：与路径名相关的文件名，可以是一个存在的文件。
    • id：一个非零整数。
  • 返回值：生成的key。

 man 手册查询结果：

shmget函数

功能：用来创建共享内存
原型：int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
参数

  • key:这个共享内存段名字
  • size:共享内存大小
  • shmflg:由九个权限标志构成，它们的用法和创建文件时使用的mode模式标志是一样的

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

  man 手册查询结果：

shmat函数
功能：将共享内存段连接到进程地址空间
原型：void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
参数

  • shmid: 共享内存标识
  • shmaddr:指定连接的地址
  • shmflg:它的两个可能取值是SHM_RND和SHM_RDONLY

返回值：成功返回一个指针，指向共享内存第一个节；失败返回-1

  man 手册查询结果：

说明：

  •  shmaddr为NULL，核心自动选择一个地址
  • shmaddr不为NULL且shmflg无SHM_RND标记，则以shmaddr为连接地址。
  • shmaddr不为NULL且shmflg设置了SHM_RND标记，则连接的地址会自动向下调整为SHMLBA的整数倍。公式：shmaddr -(shmaddr % SHMLBA)
  • shmflg=SHM_RDONLY，表示连接操作用来只读共享内存

 shmdt函数

功能：将共享内存段与当前进程脱离
原型：int shmdt(const void *shmaddr);
参数

  • shmaddr: 由shmat所返回的指针

返回值：成功返回0；失败返回-1
注意：将共享内存段与当前进程脱离不等于删除共享内存段

  man 手册查询结果： 

shmctl函数
功能：用于控制共享内存
原型：int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
参数

  • shmid:由shmget返回的共享内存标识码
  • cmd:将要采取的动作（有三个可取值）
  • buf:指向一个保存着共享内存的模式状态和访问权限的数据结构

返回值：成功返回0；失败返回-1

   man 手册查询结果： 

（二） 代码实现

接下来，我们就用上述描述的接口简单的实现一下共享内存。 

【client.cc】

#include"common.hpp"
#include<unistd.h>
int main()
{key_t k = getkey();cout << "client key: " << toHex(k) << endl;int shmid = getShm(k, gsize);cout << "client shmid: " <<shmid<< endl;//3. 将自己和共享内存关联起来char* start = attachShm(shmid);sleep(15);// 4.  将自己和共享内存去关联detachShm(start);return 0;
}

【server.cc】

#include"common.hpp"
#include<unistd.h>
int main()
{//1. 创建keykey_t k = getkey();cout << "server key: " << toHex(k) << endl;//2. 创建共享内存int shmid = createShm(k, gsize);cout << "server shmid: " << shmid << endl;sleep(3);//3. 将自己和共享内存关联起来char* start = attachShm(shmid);sleep(15);// 4. 将自己和共享内存去关联detachShm(start);//删除共享内存delShm(shmid);return 0;
}

【common.hpp】

#ifndef __COMMON_HPP__
#define __COMMON_HPP__#include <iostream>
#include <cerrno>
#include <cstdio>
#include <cstring>
#include <cassert>
#include <string>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
using namespace std;#define PATHNAME "."
#define PROJID 0x6666
const int gsize = 4096; //暂时key_t getkey(){key_t k =ftok(PATHNAME,PROJID);if(k == -1){cerr << "error: " << errno << " : " << strerror(errno) << endl;exit(1);}return k;
}string toHex(int x){char buffer[64];snprintf(buffer, sizeof buffer, "0x%x", x);return buffer;
}static int createShmHelper(key_t k, int size, int flag){int shmid = shmget(k, gsize, flag);if(shmid == -1){cerr << "error: " << errno << " : " << strerror(errno) << endl;exit(2);}return shmid;
}int createShm(key_t k, int size){umask(0);return createShmHelper(k, size, IPC_CREAT | IPC_EXCL | 0666);
}int getShm(key_t k, int size)
{return createShmHelper(k, size, IPC_CREAT);
}void delShm(int shmid){int n = shmctl(shmid,IPC_RMID,nullptr);assert(n != -1);(void)n;
}char* attachShm(int shmid)
{char *start = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);return start;
}void detachShm(char *start)
{int n = shmdt(start);assert(n != -1);(void)n;
}#endif

总的来说，共享内存是一种强大的进程间通信机制，适用于需要高效、频繁共享大量数据的场景。在使用时需要注意同步和互斥机制，以确保数据的一致性和安全性。

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