Linux---进程间通信（下）-编程知识

1、System V 共享内存

原理如下图

系统调用接口介绍

int shmget(key_t key, size_t size, int shmflg)

功能：用来创建共享内存
参数

key：这个共享内存段名字，内核用key来标识共享内存
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(这里介绍两个：IPC_CREAT和IPC_EXCL，其中IPC_CREAT表示共享内存存在就返回，不存在就创建，IPC_EXCL不单独使用，IPC_EXCL | IPC_CREAT表示不存在就创建，存在就出错返回，作用是确保创建出来的共享内存一定是全新的)

返回值：成功返回一个非负整数，即该共享内存段的标识码(作用类似文件描述符fd)；失败返回-1

void* shmat(int shmid, const void* shmaddr, int shmflg)

功能：将共享内存段连接到进程地址空间(在页表中创建映射关系)
参数

shmid：共享内存标识
shmaddr：指定连接的地址(可以直接传nullptr，让OS帮你分配)
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(类比malloc)；失败返回-1

int shmdt(const void *shmaddr)

功能：将共享内存段与当前进程脱离(删除页表中的映射关系)
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

int shmctl(int shmid, int cmd, struct shmid_ds *buf)

功能：用于控制共享内存
参数

shmid：由shmget返回的共享内存标识码
cmd：将要采取的动作（IPC_STAT---获取共享内存的相关信息、IPC_SET---设置共享内存的相关信息、IPC_RMID---释放共享内存）
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

(共享内存的生命周期是随内核的，即进程结束，共享内存不会释放，需要手动释放空间)

共享内存的通信代码如下

//comm.hpp#include <string>
#include <iostream>
#include <sys/ipc.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/shm.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <cstring>
using namespace std;// 路径和项目id可以随便写，但是建议写和代码相关的
string pathname = "/shm";
int process_id=0x11223344;const int size = 4096; // 建议设置为n*4096，Linux以4096为单位进行分配共享内存
string filename = "fifo"; //管道名，下面代码用管道是利用管道的同步机制，共享内存没有同步机制key_t Getkey()
{key_t key = ftok(pathname.c_str(), process_id);// 该系统调用相当于一个hash函数，用两个参数通过算法获得一个hash值 keyif(key < 0){cout << "errno: " << errno << ",errstring: " << strerror(errno) << endl;exit(1);}return key;
}string ToHex(int id) // 返回16进制表示形式 
{char buffer[1024];snprintf(buffer,sizeof(buffer),"0x%x",id);return buffer;
}int CreateShmHelper(key_t key, int flag)
{int shmid = shmget(key, size, flag);if(shmid < 0){cout << "errno: " << errno << ",errstring: " << strerror(errno) << endl;exit(2);}return shmid;
}int GetShm(key_t key)
{return CreateShmHelper(key, IPC_CREAT);
}int CreateShm(key_t key)
{return CreateShmHelper(key, IPC_CREAT|IPC_EXCL|0666);// 设置创建共享内存并设置权限0666---八进制
}//server.cc#include "comm.hpp"
//用一个类来初始化资源和释放资源
class Init
{
public:Init(){int n = mkfifo(filename.c_str(), 0666);if(n < 0) exit(1);key_t key = Getkey();cout << "key:" << ToHex(key) << endl;// sleep(5);// key vs shmid// key:内核中使用，标识共享内存的唯一性// shmid：应用这个共享内存的时候，我们使用shmid来使用操作共享内存// 即key是给内核看的，shmid是给用户看的shmid = CreateShm(key);cout << "shmid:" << shmid << endl;cout << "创建内存" << endl;p = (char*)shmat(shmid, nullptr, 0);cout << "将内存挂接到虚拟地址空间" << endl;sleep(3);
//注意资源的初始化顺序，管道的打开要放在恰当的地方，不然会出bug，这边建议放到最后fd = open(filename.c_str(), O_RDONLY);// 读端}~Init(){close(fd);unlink(filename.c_str());// 删除管道文件shmdt(p);cout << "删除页表映射" << endl;sleep(3);shmctl(shmid, IPC_RMID, nullptr);cout << "删除内存" << endl;}
public:int fd;int shmid;char*p;
};int main()
{Init init;int code = 0;while(1){ssize_t n = read(init.fd, &code, sizeof(code));if(n > 0){cout << "client:" << init.p << endl;}else if(n == 0){break;}}return 0;
}//client.cc
#include "comm.hpp"int main()
{key_t key = Getkey();cout << "key:" << ToHex(key) << endl;int shmid = GetShm(key);cout << "获取shmid：" << shmid << endl;char *p = (char *)shmat(shmid, nullptr, 0); // 开出来的空间当数组用即可cout << "挂接" << endl;int fd = open(filename.c_str(), O_WRONLY);int code = 1;cout << "write start" << endl;for (int i = 0; i < 26; i++){p[i] = 'a' + i;sleep(2);write(fd, &code, sizeof(code));cout << "write:" << (char)('a' + i) << endl;}shmdt(p);cout << "取消映射" << endl;return 0;
}

在看完上面这段代码的前提下，我们就能解释两个进程如何得到同一个共享内存的标识符：本质是我们事先约定了标识符key的值(在上面的代码中，我们是用ftok函数生成的key，使用的相同的参数，所以返回值也相同。这里使用ftok只是让系统帮助我们生成key，其实只要key这个值相对其他共享内存的key是唯一的即可)，放在头文件中，然后两个程序通过key就能找到同一个共享内存

特点：

共享内存的通信方式，不会提供同步机制，共享内存是直接裸露给所有的使用者的，一定要注意共享内存的使用安全问题
共享内存可以提供较大的空间
共享内存是所有进程间通信速度最快的（因为管道底层是对文件操作的复用，所以数据需要在用户缓冲区和内核文件缓冲区间来回拷贝，但是共享内存不需要，共享内存可以理解为用malloc申请了一块空间，两个进程都能看见，没有用户缓冲区和内核文件缓冲区来回拷贝的过程，所以更快）