文章目录
- 一、直接原理
- 1.1 共享内存的的申请
- 1.2 共享内存的释放
- 二、代码演示
- 2.1 shmget
- 2.1.1 详谈key——ftok
- 2.2 创建共享内存样例代码
- 2.3 获取共享内存——进一步封装
- 2.4 共享内存挂接——shmat
- 2.5 共享内存去关联——shmdt
- 2.6 释放共享内存——shmctl
- 2.7 开始通信
- 2.7.1 processb 基础代码编写
- 2.7.2 通信代码编写
- 三、共享内存的特点
- 3.1 共享内存 VS 管道
- 四、拓展内容
- 4.1 查看共享内存的属性
- 4.2 借助管道实现共享内存的同步与互斥
- 五、结语
一、直接原理
1.1 共享内存的的申请
共享的原理和动态库的共享原理一致,共享内存的申请主要分为以下三步:
-
操作系统在物理内存上申请一块空间。
-
将申请到的空间,通过页表挂接到进程地址空间的共享区。
-
返回起始虚拟地址,供程序中使用。
1.2 共享内存的释放
去关联,释放共享内存。申请、挂接、去关联、释放这些动作都是由操作系统来做的,进程不能自己去做,进程中可以通过 malloc
去申请空间,但是因为进程独立性的存在,一个进程自己 malloc
申请的空间,只属于当前进程,不能由多个进程共享。
系统中可能同时有多组进程 都需要通信,因此系统中可能存在多个共享内存,所以操作系统要把这多个共享内存管理起来。先描述,再组织,操作系统中一定有一个内核结构体是用来描述共享内存的。
二、代码演示
2.1 shmget
shmget
函数用来申请一块共享内存。
- key:一个数字,是几不重要,关键在于它必须在内核中具有唯一性,能够让不同的共享内存具有唯一性标识。
- size:创建共享内存的大小,单位是字节。一般建议是4096的整数倍,如果传的是4097,操作系统实际上申请的空间大小是 4096*2,虽然操作系统多申请了,但是多的部分用户不能使用,用了会被判定为越界。
- shmflg:标记位,常用选项有
IPC_CREAT
:如果申请的共享内存不存在,就创建,存在,就获取并返回。IPC_EXCL
:如果申请的共享内存存在,就出错返回。IPC_CREAT | IPC_EXCL
:如果申请的共享内存不存在,就创建,存在就出错返回。这俩选项一起使用保证了,如果我们申请成功了一个共享内存,这个共享内存一定是一个新的。IPC_EXCL
不单独使用。其次,共享内存的权限也通过这个标志位进行传递。 - 返回值:创建成功,返回共享内存标识符;创建失败,返回-1。
2.1.1 详谈key——ftok
无论是创建共享内存还是使用共享内存,都需要调用该函数。第一个进程可以通过 key
创建共享内存,第二个之后的进程,只需要拿着同一个 key
就可以和第一个进程看到同一个共享内存。key
在共享内存的描述对象中,第一次创建共享内存的时候,就必须有一个 key
了。使用 ftok
函数生成一个 key
。
pathname
:路径名。proj_id
:项目 ID。- 返回值:生成成功
key
被返回;生成失败-1
被返回(路径名如果不存在的话是有可能生成失败的)。
只要这两个参数一样,那么两个进程就可以得到同一个 key
值。
**key值为什么是通过用户传参来生成的,而不是操作系统直接生成的?**因为操作系统不知道哪两个进程需要通信,假设 A 进程和 B 进程进行通信,在 A 进程中操作系统随机生成了一个 key
给 A 进程,此时 B 进程也需要知道 key
值,但是操作系统是不知道 A 进程要和 B 进程进行通信,所以操作系统没办法将这个 key
值交给 B 进程,只有程序员(写代码的人)才知道 A、B 进程之间需要通信。其实 ftok
函数相当于是两个通信进程之间的一种约定,只要它们约定好同一个 pathname
和 proj_id
,那么这两个进程就能得到同一个 key
。
2.2 创建共享内存样例代码
#ifndef __COMM_HPP__
#define __COMM_HPP__#include <iostream>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/types.h>
#include <string>
#include "log.hpp"
#include <string.h>
#include <errno.h>
using namespace std;const int size = 4096;
const string path_name = "/home/wcy";
const int proj_id = 0x6666;
Log log;key_t GetKey() // 获取 key
{key_t k = ftok(path_name.c_str(), proj_id);if(k < 0){// 获取 key 失败log(Fatal, "ftok error: %s", strerror(errno));exit(1);}log(Info, "ftok sucess, key is: %d", k);return k;
}int GetShareMem() // 创建共享内存
{key_t key = GetKey();int shmid = shmget(key, size, IPC_CREAT|IPC_EXCL);if(shmid < 0){log(Fatal, "creat share memeory error: %s", strerror(errno));exit(2);}log(Info, "creat share memory success, shmid is: %d", shmid);return shmid;
}#endif
key 和 shmid:
key
是在操作系统内部来唯一标识一块共享内存,是给操作系统来使用的;shmid
是给进程使用的,用来表示资源的唯一性。虽然共享内存属于文件系统,但是 shmid
和文件描述符的兼容性做的并不好,共享内存给自己单独设置了一个类似于文件描述符表的东西。
**共享内存的生命周期是随内核的,用户不主动关闭,共享内存会一致存在。**只有内核重启或者用户主动释放,共享内存才会被释放。
查看操作系统中所有的共享内存:ipcs -m
perms
:权限位nattch
:和当前共享内存关联的进程个数。
命令行中删除共享内存:ipcrm -m shmid
。指令是由用户输入的的,在用户层统一使用 shmid
。
2.3 获取共享内存——进一步封装
int GetShareMemHelper(int flag)
{key_t key = GetKey();int shmid = shmget(key, size, flag);if(shmid < 0){log(Fatal, "creat share memeory error: %s", strerror(errno));exit(2);}log(Info, "creat share memory success, shmid is: %d", shmid);return shmid;
}// 创建共享内存
int CreatMem()
{return GetShareMemHelper(IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);
}// 获取共享内存
int GetMem()
{return GetShareMemHelper(IPC_CREAT); // 这里也可以传0
}
2.4 共享内存挂接——shmat
shmat:将某个共享内存挂接到当前进程的地址空间中。
shmid
:共享内存的标识符。shmaddr
:指向挂接在地址空间的什么位置,因为我们也不知道挂接在什么位置,所以一般设为nullptr
即可。shmflg
:设置当前进程对该共享内存的权限,一般设置成0,表示采用共享内存自身的权限。- **返回值:**共享内存挂接在地址空间中的地址。
// processa
#include "comm.hpp"
#include <unistd.h>int main()
{// 创建共享内存int shmid = CreatMem();log(Debug, "creat sharemem done...");sleep(5);// 挂接共享内存char *sharmem = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);log(Debug, "%d attch success", shmid);sleep(5);log(Debug, "processa quit...");return 0;
}
2.5 共享内存去关联——shmdt
shmdt
:去掉某个共享内存与当前进程的关联。
shmaddr
:就是shmat
函数返回的那个地址。
// processa
#include "comm.hpp"
#include <unistd.h>int main()
{// 创建共享内存int shmid = CreatMem();log(Debug, "creat sharemem done...");sleep(5);// 挂接共享内存char *shamem = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);log(Debug, "%d attch done, to 0x%x", shmid, shamem);sleep(5);// 去关联shmdt(shamem);log(Debug, "%d deattch done", shmid);log(Debug, "processa quit...");return 0;
}
2.6 释放共享内存——shmctl
shmctl
:用来释放一个共享内存。
cmd
:操作选项。IPC_STAT
:将内核中共享内存的属性拷贝到buf
里面。IPC_RMID
:删除共享内存。struct shmid_ds *buf
:语言层面用来描述一个共享内存的结构体,里面保存了共享内存的部分属性。- **返回值:**如果操作是
IPC_RMID
,那么删除成功返回0,失败返回-1。
// processa
#include "comm.hpp"
#include <unistd.h>int main()
{// 创建共享内存int shmid = CreatMem();log(Debug, "creat sharemem done...");sleep(5);// 挂接共享内存char *shamem = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);log(Debug, "sharemem %d attch done, to 0x%x", shmid, shamem);sleep(5);// 去关联shmdt(shamem);log(Debug, "sharemem %d deattch done", shmid);sleep(5);// 释放共享内存int ret = shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);if(ret < 0)log(Debug, "sharemem delete error: %s", strerror(errno));elselog(Debug, "sharemem delete success...");sleep(5);log(Debug, "processa quit...");return 0;
}
2.7 开始通信
2.7.1 processb 基础代码编写
#include "comm.hpp"
#include <unistd.h>int main()
{// 获取共享内存int shmid = GetMem();log(Debug, "Get sharemem done...");sleep(5);// 挂接char *shmaddr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);log(Debug, "sharemem %d attch done, to 0x%x", shmid, shmaddr);sleep(5);// 去关联shmdt(shmaddr);log(Debug, "sharemem %d deattch done", shmid);return 0;
}
2.7.2 通信代码编写
processa:
#include "comm.hpp"
#include <unistd.h>int main()
{// 创建共享内存int shmid = CreatMem();// 挂接共享内存char *shamem = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);// ipc-cod 通信代码while(true){cout << "client asy@ " << shamem << endl; // 直接访问共享内存sleep(1);}// 去关联shmdt(shamem);// 释放共享内存int ret = shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);return 0;
}
processb:
#include "comm.hpp"
#include <unistd.h>int main()
{// 获取共享内存int shmid = GetMem();// 挂接char *shmaddr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);// ipc-code 通信代码while(true){cout << "Please enter:";fgets(shmaddr, size, stdin);}// 去关联shmdt(shmaddr);return 0;
}
一旦有了共享内存,并且挂接到当前进程的地址空间上了,在程序中就把它当做该进程自己的内存空间来使用即可,无需再调用系统调用。一旦有人把数据写入到共享内存,其实我们立马就能看到,不需要经过系统调用,就能直接看到数据。可以把共享内存就当做用户自己 malloc
出来的一块空间。
三、共享内存的特点
-
共享内存没有同步与互斥之类的保护机制,即写端没有向共享内存中写入,读端可以正常读取。
-
共享内存是所有的进程间通信中,速度最快的。原因在于数据拷贝次数少。
-
共享内存中的数据,完全是由用户自己维护,操作系统不会帮我们做清空工作。
3.1 共享内存 VS 管道
管道通信中:数据要拷贝两次。主要原因在于,管道本质上是文件,我们不能通过键盘直接往文件里面进行写入,要想让键盘输入的内容写入的文件中,首先需要在程序中定义一个字符数组(或者 string 对象),暂时存储键盘的输入,然后在将这个数组中的内容写入到文件,这就涉及一次拷贝(将数组中的内容,拷贝到文件缓冲区),其次另一端在进行读取的时候,所有的文件读取操作,都要求定义一段空间,将读取到的内容存储起来,这个过程又会涉及一次拷贝,总体算下来,完成一次管道通信,需要进行两次拷贝。
共享内存通信:程序中可以把共享内存当做自己的内存空间来使用,因此对于写端,可以直接从键盘读取数据存储到共享内存中,无需创建字符数组(或者 string 对象)来暂时存储输入的内容;对于读端,可以直接从共享内存中进行读取,然后打印,在没有特殊要求的情况可以不用将共享内存中的数据存储起来。
四、拓展内容
4.1 查看共享内存的属性
通过 shmctl
函数区获取共享内存的属性。struct shmid_ds
结构体就是用户层面去描述一个共享内存的结构体。
int main()
{// 创建共享内存int shmid = CreatMem();struct shmid_ds shmds; // 用来存储共享内存的属性// 挂接共享内存char *shamem = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);// ipc-cod 通信代码while(true){cout << "client asy@ " << shamem << endl; // 直接访问共享内存// 打印共享内存的属性shmctl(shmid, IPC_STAT, &shmds);// cout << "__key: " << shmds.shm_perm.__key << endl;printf("0x%x\n", shmds.shm_perm.__key);cout << "shm_atime: " << shmds.shm_atime << endl;cout << "shm_cpid: " << shmds.shm_cpid << endl;cout << "shm_nattch: " << shmds.shm_nattch << endl;sleep(1);}// 去关联shmdt(shamem);// 释放共享内存int ret = shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);return 0;
}
4.2 借助管道实现共享内存的同步与互斥
processa:
#include "comm.hpp"
#include <unistd.h>int main()
{// 创建共享内存int shmid = CreatMem();Init init; // 创建有名管道// 打开管道int fd = open(FIFO_FILE, O_RDONLY);if (fd < 0){perror("open");exit(FIFO_OPEN_ERR);}struct shmid_ds shmds;// 挂接共享内存char *shamem = (char *)shmat(shmid, nullptr, 0);// ipc-cod 通信代码while (true){char ch;int n = read(fd, &ch, sizeof(ch));if (n == 0)break;else if (n > 0){cout << "client asy@ " << shamem; //<< endl; // 直接访问共享内存}else{log(Fatal, "read error: %s\n", strerror(errno));exit(FIFO_READ_ERR);}}// 去关联shmdt(shamem);// 释放共享内存int ret = shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);// 关闭管道close(fd);return 0;
}
processb:
#include "comm.hpp"
#include <unistd.h>int main()
{// 获取共享内存int shmid = GetMem();// 打开管道int fd = open(FIFO_FILE, O_WRONLY);if(fd < 0){perror("open");exit(FIFO_OPEN_ERR);}// 挂接char *shmaddr = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);// ipc-code 通信代码while(true){cout << "Please enter:";fgets(shmaddr, size, stdin);write(fd, "c", 1);}// 去关联shmdt(shmaddr);// 关闭管道close(fd);return 0;
}
在没有管道的情况下,processa
进程一直在不间断的读取共享内存中的数据,现在创建一个管道,在 processa
进程读取共享内存之前,想让它从管道中读取,只有读到了特定的信号,才能去共享内存中进行读取。processb
进程在向共享内存中写入数据之后,向管道中写入一个字符,以此为信号,通知 processa
进程,现在共享内存中有数据了,你可以去读取了。在 processb
进程没有向共享内存中写入数据的时候,此时管道为空,读端就会阻塞,也就是 processa
进程就会被阻塞住,以此来实现同步与互斥。
五、结语
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