（26）Linux 进程通信之共享内存（共享储存空间）

共享内存是System V版本的最后一个进程间通信方式。共享内存，顾名思义就是允许两个不相关的进程访问同一个逻辑内存，共享内存是两个正在运行的进程之间共享和传递数据的一种非常有效的方式。不同进程之间共享的内存通常为同一段物理内存。进程可以将同一段物理内存连接到他们自己的地址空间中，所有的进程都可以访问共享内存中的地址。如果某个进程向共享内存写入数据，所做的改动将立即影响到可以访问同一段共享内存的任何其他进程。

1、共享内存的通信原理 

在Linux中，每个进程都有属于自己的进程控制块（PCB）和地址空间（Addr Space），并且都有一个与之对应的页表，负责将进程的虚拟地址与物理地址进行映射，通过内存管理单元（MMU）进行管理。两个不同的虚拟地址通过页表映射到物理空间的同一区域，它们所指向的这块区域即共享内存。

共享内存原理图：

 上图：当两个进程通过页表将虚拟地址映射到物理地址时，在物理地址中有一块共同的内存区，即共享内存，这块内存可以被两个进程同时看到。这样当一个进程进行写操作，另一个进程读操作就可以实现进程间通信。但是，我们要确保一个进程在写的时候不能被读，因此我们使用信号量来实现同步与互斥。

对于一个共享内存，实现采用的是引用计数的原理，当进程脱离共享存储区后，计数器减一，挂架成功时，计数器加一，只有当计数器变为零时，才能被删除。当进程终止时，它所附加的共享存储区都会自动脱离。

2、为什么共享内存速度最快？

借助上图说明：Proc A 进程给内存中写数据， Proc B 进程从内存中读取数据，在此期间一共发生了两次复制

（1）Proc A 到共享内存       （2）共享内存到 Proc B

因为直接在内存上操作，所以共享内存的速度也就提高了。

最简单的共享内存的使用流程

  • ①ftok函数生成键值
  • ②shmget函数创建共享内存空间
  • ③shmat函数获取第一个可用共享内存空间的地址
  • ④shmdt函数进行分离（对共享存储段操作结束时的步骤，并不是从系统中删除共享内存和结构）
  • ⑤shmctl函数进行删除共享存储空间

3、ftok函数生成键值 

每一个共享存储段都有一个对应的键值（key）相关联（消息队列、信号量也同样需要）。

//使用此函数，需导入此头文件
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>key_t ftok(const char *pathname, int proj_id);
  • const char *pathname: 一个以null结尾的字符串，表示文件系统中文件的路径。文件应该在调用ftok()时存在。在多个进程中生成相同的键时，需要使用相同的文件路径。
  • int proj_id: 一个非零的整数，作为生成键的种子。在多个进程中生成相同的键时，需要使用相同的proj_id。
     

返回值：成功返回键值（相当于32位的int）。出错返回-1

总之，ftok() 是一个标准C库函数，用于为System V IPC对象生成键。它需要提供文件系统中文件的路径和一个非零整数作为参数。通过使用相同的文件路径和非零整数，可以在多个进程之间生成相同的键，以便共享IPC对象。 

例如：key_t key = ftok( “/tmp”, 66);

 4、shmget函数创建共享存储空间并返回一个共享存储标识符

所需头文件：#include<sys/shm.h>函数原型： int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg);
  • [参数key]：由ftok生成的key标识，标识系统的唯一IPC资源。
  • [参数size]：需要申请共享内存的大小。在操作系统中，申请内存的最小单位为页，一页是4k字节，为了避免内存碎片，我们一般申请的内存大小为页的整数倍。
  • [参数shmflg]：如果要创建新的共享内存，需要使用IPC_CREAT，IPC_EXCL，如果是已经存在的，可以使用IPC_CREAT或直接传0。
  • [返回值]：成功时返回一个新建或已经存在的的共享内存标识符，取决于shmflg的参数。失败返回-1并设置错误码。

例如：int id = shmget(key,4096,IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);创建一个大小为4096个字节的权限为0666（所有用户可读可写，具体查询linux权限相关内容）的共享存储空间，并返回一个整形共享存储标识符，如果key值已经存在有共享存储空间了，则出错返回-1。

     int id = shmget(key,4096,IPC_CREAT|0666);创建一个大小为4096个字节的权限为0666（所有用户可读可写，具体查询linux权限相关内容）的共享存储空间，并返回一个共享存储标识符，如果key值已经存在有共享存储空间了，则直接返回一个共享存储标识符。

 

 5、shmat 函数：挂接共享内存

//使用此函数，需导入此头文件
#include <sys/types.h>
#include <sys/shm.h>void *shmat(int shmid, const void *shmaddr, int shmflg);
  • int shmid: 一个整数，表示共享内存段的标识符（ID）。这个值通常是通过调用 shmget() 函数获得的。
  • const void *shmaddr: 一个指针，表示附加共享内存段的首选地址。通常将此参数设置为NULL，让系统自动选择一个合适的地址。
  • int shmflg: 一个整数，表示附加共享内存段的标志。常用标志包括：
  •     SHM_RDONLY: 以只读方式附加共享内存段。
  •     0: 以读写方式附加共享内存段。

返回值：

  • 成功时，shmat() 返回一个非空指针，表示共享内存段在当前进程地址空间的起始地址。
  • 失败时，返回 (void *)-1，并设置相应的 errno。

总之，shmat() 是一个Linux系统调用函数，用于将共享内存段附加到当前进程的地址空间。它需要提供共享内存段的标识符、首选地址和标志作为参数。成功时，它会返回一个指向共享内存段起始地址的指针，用于后续的内存访问操作。 

6、shmctl ( )：销毁共享内存 

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf);
  • [参数shmid]：共享存储段标识符。
  • [参数cmd]：指定的执行操作，设置为IPC_RMID时表示可以删除共享内存。
  • [参数*buf]：设置为NULL即可。
  • [返回值]：成功返回0，失败返回-1。

7、shmdt函数进行分离 

  • 当不需要对此共享内存进行操作时候，调用shmdt函数进行分离，不是删除此共享存储空间哟。
  • 所需头文件：#include<sys/shm.h>
  • 函数原型： int shmdt(const void *addr);
  • addr为shmat函数返回的地址指针
  • 返回值：成功返回0；错误返回-1

例如：int ret = shmdt(addr);
下面是一个例子，希望对你对上面的内容理解有所帮助。

comm.hpp:

#pragma once#include <iostream>
#include <cstdio>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <cassert>
#include <cstring>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include "Log.hpp"using namespace std; //不推荐#define PATH_NAME "/home/whb"
#define PROJ_ID 0x66
#define SHM_SIZE 4096 //共享内存的大小，最好是页(PAGE: 4096)的整数倍#define FIFO_NAME "./fifo"class Init
{
public:Init(){umask(0);int n = mkfifo(FIFO_NAME, 0666);assert(n == 0);(void)n;Log("create fifo success",Notice) << "\n";}~Init(){unlink(FIFO_NAME);Log("remove fifo success",Notice) << "\n";}
};#define READ O_RDONLY
#define WRITE O_WRONLYint OpenFIFO(std::string pathname, int flags)
{int fd = open(pathname.c_str(), flags);assert(fd >= 0);return fd;
}void Wait(int fd)
{Log("等待中....", Notice) << "\n";uint32_t temp = 0;ssize_t s = read(fd, &temp, sizeof(uint32_t));assert(s == sizeof(uint32_t));(void)s;
}void Signal(int fd)
{uint32_t temp = 1;ssize_t s = write(fd, &temp, sizeof(uint32_t));assert(s == sizeof(uint32_t));(void)s;Log("唤醒中....", Notice) << "\n";
}void CloseFifo(int fd)
{close(fd);
}

Log.hpp:

#ifndef _LOG_H_
#define _LOG_H_#include <iostream>
#include <ctime>#define Debug   0
#define Notice  1
#define Warning 2
#define Error   3const std::string msg[] = {"Debug","Notice","Warning","Error"
};std::ostream &Log(std::string message, int level)
{std::cout << " | " << (unsigned)time(nullptr) << " | " << msg[level] << " | " << message;return std::cout;
}#endif

Makefile:

.PHONY:all
all:shmClient shmServershmClient:shmClient.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11
shmServer:shmServer.ccg++ -o $@ $^ -std=c++11
.PHONNY:clean
clean:rm -f shmClient shmServer

shmServer.cc:

#include "comm.hpp"// 是不是对应的程序，在加载的时候，会自动构建全局变量，就要调用该类的构造函数 -- 创建管道文件
// 程序退出的时候，全局变量会被析构，自动调用析构函数，会自动删除管道文件
Init init; string TransToHex(key_t k)
{char buffer[32];snprintf(buffer, sizeof buffer, "0x%x", k);return buffer;
}int main()
{// 我们之前为了通信，所做的所有的工作，属于什么工作呢：让不同的进程看到了同一份资源(内存)// 1. 创建公共的Key值key_t k = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);assert(k != -1);Log("create key done", Debug) << " server key : " << TransToHex(k) << endl;// 2. 创建共享内存 -- 建议要创建一个全新的共享内存 -- 通信的发起者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, 0);Log("attach shm done", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;// sleep(10);// 这里就是通信的逻辑了// 将共享内存当成一个大字符串// char buffer[SHM_SIZE];// 结论1： 只要是通信双方使用shm，一方直接向共享内存中写入数据，另一方，就可以立马看到对方写入的数据。//         共享内存是所有进程间通信(IPC)，速度最快的！不需要过多的拷贝！！（不需要将数据给操作系统）// 结论2： 共享内存缺乏访问控制！会带来并发问题 【如果我想一定程度的访问控制呢? 能】int fd = OpenFIFO(FIFO_NAME, READ);for(;;){Wait(fd);// 临界区printf("%s\n", shmaddr);if(strcmp(shmaddr, "quit") == 0) break;// sleep(1);}// 4. 将指定的共享内存，从自己的地址空间中去关联int n = shmdt(shmaddr);assert(n != -1);(void)n;Log("detach shm done", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;// sleep(10);// 5. 删除共享内存,IPC_RMID即便是有进程和当下的shm挂接，依旧删除共享内存n = shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);assert(n != -1);(void)n;Log("delete shm done", Debug) << " shmid : " << shmid << endl;CloseFifo(fd);return 0;
}

shmClient.cc:

#include "comm.hpp"int main()
{Log("child pid is : ", Debug) << getpid() << endl;key_t k = ftok(PATH_NAME, PROJ_ID);if (k < 0){Log("create key failed", 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, 0);if(shmid < 0){Log("create shm failed", Error) << " client key : " << k << endl;exit(2);}Log("create shm success", Error) << " 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", Error) << " client key : " << k << endl;// sleep(10);int fd = OpenFIFO(FIFO_NAME, WRITE);// 使用// client将共享内存看做一个char 类型的bufferwhile(true){ssize_t s = read(0, shmaddr, SHM_SIZE-1);if(s > 0){shmaddr[s-1] = 0;Signal(fd);if(strcmp(shmaddr,"quit") == 0) break;}}CloseFifo(fd);// 去关联int n = shmdt(shmaddr);assert(n != -1);Log("detach shm success", Error) << " client key : " << k << endl;// sleep(10);// client 要不要chmctl删除呢？不需要！！return 0;
}

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